7.8.3. Внутренний фотоэффект и его применение
Из опытов известно, что под действием света электропроводность полупроводников возрастает. Объясняют это так: связанный электрон полупроводника поглощает фотон излучения и становится свободным. При этом образуется пара электрон – дырка, участвующая в образовании тока.
Внутренний фотоэффект – генерация свободных носителей заряда в полупроводнике под действием облучения.
При внутреннем фотоэффекте (в отличие от внешнего) электроны не покидают вещество.
Для возникновения внутреннего фотоэффекта требуется меньшая (чем для внешнего) энергия фотонов, поэтому он возможен даже при инфракрасном излучении.
На основе внутреннего фотоэффекта изготавливают фотосопротивления, сопротивление (проводимость) которых зависит от освещения. Их применяют в фотодатчиках, устройствах безопасности, светорегуляторах и т. д.
Рассмотрим
р-n-переход (п.5.1.3.5.4),
р-область которого освещена и в ней
происходит внутренний фотоэффект. Под
действием внутреннего поля Евн
фотоэлектроны из р-области переходят
в n-область, а дырки из n
в р-область, нейтральность слоёв р и n
нарушается, что приводит к увеличению
потенциала р-области и уменьшению
потенциала n-области, т.
е. образуется фотоЭДС и эта система –
фотоэлемент. Фототок I
течёт в направлении, обратном направлению
тока через это же устройство, используемое
как выпрямитель (п.5.1.3.5.6).
Фотоэлемент имеет 15–20% и позволяет получать с 1 см2 освещённой поверхности фотоЭДС 0,5–2 В при токе до 25 мА.
Фотоэлементы набирают в группы и получают солнечные батареи, питающие электроприборы за счёт энергии Солнца. Их применяют на космических станциях, полярных метеостанциях и др.
7.8.4. Эффект Комптона
Пусть электрон вне вещества
взаимодействует с фотоном, поглощая
всю его энергию. Даже если до взаимодействия
электрон покоился, то по закону сохранения
энергии и импульса:
и
(п.7.8.1), откуда v = 2с,
что невозможно (п.7.7.3). Значит, электрон
вне вещества не может получить всю
энергию фотона. При взаимодействии
фотона (энергия Е = h
и импульс
)
с электроном (энергия Е0 = m0c2
и импульс
)
вне вещества может произойти только
процесс рассеяния, в результате которого
появится новый фотон (энергия
и импульс
),
летящий под углом
к направлению движения первоначального
фотона, и электрон «отдачи» (энергия
и импульс
).
Тогда по закону сохранения энергии
и по закону сохранения импульса
.
(*).
Заменим частоты длинами волн (
и
).
По закону сохранения энергии
;
;
.
Вычтем из результата (*) и поменяем знаки:
;
;
;
,
т. е. изменение длины волны при рассеянии
фотона
,
где и 1
– длины волн падающего и рассеянного
фотонов.
Явление рассеяния фотона на свободном электроне было открыто в 1924 г. Артуром Комптоном (1892–1962, США) и носит его имя. Он же построил теорию этого явления, которое необъяснимо с позиций волновой теории, и свидетельствует в пользу корпускулярных представлений.
7.8.5. Давление света. Опыт Лебедева
Теоретически Максвелл предсказал, что
свет оказывает давление на препятствие
(электрическое поле ЭМВ приводит в
движение электроны тела, создаёт
микротоки, на которые со стороны
магнитного поля ЭМВ действует сила
Лоренца – это и есть сила светового
давления), причём яркий солнечный свет
создаёт давление около
.
Измерить такое малое давление и
подтвердить эти выводы долго не удавалось,
т.к. одностороннее нагревание поверхности
тела излучением вызывает увеличение
теплового давления воздуха на неё,
многократно превышающее давление света.
При приближении кометы к Солнцу её хвост всегда направлен от Солнца, и ещё Кеплер полагал, что причина тому – давление света.
В 1903 г. Лебедеву удалось измерить давление света на газы.
Квантовая теория позволяет объяснить давление света так: фотоны, подобно частицам, имеют импульс и передают его телу при поглощении (согласно закону сохранения импульса). Согласно второму закону Ньютона, изменение импульса тела означает, что на тело действует сила.
Опыты Лебедева доказывают, что фотоны обладают импульсом.
Незначительное, в лабораторных условиях, давление излучения весьма существенно во внутризвездных высокотемпературных процессах.