А. М. Мубараков

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

1 ... 33 34 35 36 37 38 39 40 ... 48

4.5.2 Источники света

Излучение вещества, возбуждаемого посредством нагревания, относится к так называемому тепловому излучению. Свечение раскаленных тел используется для создания источников света. Первые лампы накаливания и дуговые лампы — были изобретены русскими учеными А. Н. Лодыгиным и П. Н. Яблочковым .

Использование раскаленного тела в качестве источника света тем более выгодно, чем выше температура этого тела. По закону Стефана — Больцмана суммарная интенсивность возрастает для черного тела пропорционально четвертой степени температуры. Но интенсивность более коротковолновых участков спектра растет гораздо быстрее, особенно при не очень высоких температурах. Так, вблизи температуры красного каления общая энергия видимого спектра платины растет пропорционально тридцатой степени температуры и даже вблизи белого каления — все еще пропорционально четырнадцатой степени температуры. Интенсивность желтых лучей возрастает вдвое, когда температура черного тела изменяется от 1800 до 1875 К, т. е. всего на 4%.

Если бы излучателем служило черное тело, то, пользуясь формулой Планка, мы могли бы рассчитать для каждой температуры эту часть полезной для освещения энергии и вычислить световую отдачу нашего светового источника. Если принять во внимание, что максимум чувствительности человеческого глаза лежит около 550 нм в желто-зеленой части спектра, то черное тело окажется выгодным источником при температуре около 5200 К. Принято называть условно «белым светом» излучение черного тела при этой температуре. Солнечное излучение вблизи поверхности Земли, т. е. несколько измененное вследствие поглощения в земной атмосфере, имеет цветовую температуру, близкую к этому числу, что и послужило основанием для такого условного обозначения. При дальнейшем повышении температуры черного тела излучение, приходящееся на полезную для освещения часть спектра, конечно, растет, но доля его в общей излучаемой энергии падает, так что дальнейшее повышение температуры неэкономно с точки зрения светотехники. Излучение нечерных тел, например, раскаленных металлов, всегда меньше излучения черных тел. Но световая отдача, т. е. отношение между энергией, полезной для освещения, и ее невидимой частью, для накаленного металла при данной температуре Т может быть выше, чем для черного тела при той же температуре.

При облучении вещества рентгеновскими и гамма-лучами, при бомбардировке его быстрыми электронами, вследствие нагревания, химических процессов т. д., вещество тоже начинает светиться. Свечение вещества при других методах возбуждения называют люминесценцией («холодное свечение»). Люминесценция, возбуждаемая ударами быстрых электронов, получила название катодолюминесценция. Свечение под действием рентгеновских лучей называется рентгенолюминесценцией. Свечение под действием частиц радиоактивных веществ называют радиолюминесценцией. При наложении на некоторые вещества электрического поля они тоже могут начинать светиться, и такое свечение называют электролюминесценцией. Холодное свечение возникает и при ряде химических процессов. В этом случае оно называется хемилюминесценцией. Его разновидностью является биолюминесценция— свечение некоторых организмов (светляки, микроорганизмы).

По длительности свечения процессы люминесценции делятся на флюоресценцию, которая представляет вид свечения, прекращающийся тотчас же после прекращения освещения, и фосфоресценцию, когда свечение продолжается длительное время и после прекращения освещения. Хотя такое деление люминесценции по длительности свечения в настоящее время не описывает всех случаев, оно довольно распространено. Процессы излучения, вызываемые освещением тела, объединяются под названием фотолюминесценция.

Фотолюминесценцию можно разделить на два типа, в зависимости от процессов, которые происходят внутри вещества. Один — в котором процессы возбуждения разыгрываются целиком внутри атома или молекулы, так что переход в возбужденное состояние не сопровождается отделением электрона от возбужденного атома или молекулы. Люминесценция такого типа соответствует возвращению молекулы (атома) в первоначальное состояние; она определяется в основном свойствами этой молекулы (атома) и сравнительно мало зависит от внешних условий (температуры, окружающих молекул и т. д.). Сюда относится в первую очередь люминесценция газов и жидкостей.

Более сложны процессы, происходящие в твердых и жидких люминофорах. При возбуждении таких веществ электрон нередко совершенно удаляется от своего положения в кристаллической решетке, благодаря чему повышается электропроводность кристаллов и возникает фосфоресценция, сопровождающая возвращение на старое место отделившегося электрона или какого-либо другого. Наблюдение фотолюминесценции можно осуществить разнообразными способами. Для многих веществ (растворы красок, например, флуоресцеина) своеобразное свечение заметно уже на рассеянном дневном свету или в пучке солнечных лучей.

Явление ослабевания люминесценции вследствие введения посторонних веществ носит название тушения люминесценции. Для многих веществ (главным образом жидкостей и газов) затухание идет настолько быстро, что свечение практически прекращается одновременно с прекращением освещения. Такой тип люминесценции обычно носит название флуоресценции. Наблюдение флуоресценции требует, следовательно, непрерывного освещения. В твердых телах послесвечение происходит в течение большего или меньшего промежутка времени. Этот вид люминесценции нередко называют фосфоресценцией.

Хотя, согласно предыдущему, четкое деление между флуоресцирующими и фосфоресцирующими веществами, в настоящее время, невозможно, тем не менее существуют вещества, которые вполне целесообразно выделить в класс фосфоресцирующих. К ним принадлежат, в частности, так называемые кристаллические фосфоры, дающие нередко очень интенсивное свечение и имеющие благодаря этому практический интерес. Такие фосфоресцирующие вещества характеризуются длительным послесвечением и, как уже упоминалось, сильной зависимостью длительности от температуры. Коэффициент полезного действия фосфоров, т. е. отношение общего количества отдаваемой в виде света энергии к количеству световой энергии, поглощенной фосфором при возбуждении, может быть очень велик (иногда он близок к единице). Большое значение коэффициента полезного действия открывает перспективы для использования фосфоров в качестве источников света.

Особенно важное значение имеет случай специального свечения, наблюдаемого под действием радиоактивных излучений. Как показал П. А. Черенков (1934 г.), работавший под руководством С. И. Вавилова, это свечение не испытывает тушения. Вавилов пришел к мысли, что оно не является люминесценцией, как считалось ранее, и связал его происхождение с движением электронов через вещество. При движении электрона сквозь вещество имеется, конечно, взаимодействие электрона с атомами вещества, в результате которого часть энергии электрона может передаваться атомам, вызывая их ионизацию или возбуждение. Однако в данном вопросе нас интересуют не эти виды потерь энергии электроном. Как показывает детальное рассмотрение электрического поля, создаваемого движущимся электроном, могут иметь место и иные формы растраты энергии электроном. Физическая возможность появления свечения Вавилова — Черенкова связана с движением электрона со скоростью, превышающей фазовую скорость световой волны в среде, что не противоречит положениям теории относительности. Таким образом, излучение Вавилова — Черенкова является совершенно новым и крайне интересным видом свечения, открытым исследователями.

Явления люминесценции также находят многочисленные практические применения. На них основан так называемый люминесцентный анализ. По характеру люминесцентного свечения можно определить состав какой-либо смеси. Люминесцирующие вещества могут также употребляться для обнаружения ультрафиолетовых лучей (за счет видимого свечения, возникающего под влиянием ультрафиолетовой радиации), а также инфракрасных лучей с помощью „вспышки", вызванной облучением фосфора инфракрасными лучами.

Очень важной особенностью люминесценции является возможность наблюдения свечения при чрезвычайно малых концентрациях вещества. Концентрации порядка 10-9г/см3 оказываются нередко вполне достаточными. Так как для удобного наблюдения можно ограничиться объемом в несколько десятых кубического сантиметра, то достаточно располагать 10-10г флуоресцирующего вещества, чтобы иметь возможность обнаружить его по характерному свечению. Такая чувствительность люминесцентных наблюдений делает возможным применение люминесцентного анализа для решения многих практических задач.

В настоящее время нередко применяют люминесцентный анализ. Флуоресценция нефти или содержащихся в ней примесей весьма значительна. Этим пользуются для быстрой разведки при закладке буровых скважин. Исследуя на флуоресценцию кусочки извлеченной породы, содержащие следы нефти, получают возможность судить о близости нефтеносных слоев и качестве нефти.

Методами люминесцентного анализа отличают друг от друга различные сорта стекол, сортируют шлаки, отделяя устойчивые и пригодные для мощения дорог; оценивают степень пористости каменных пород и строительных материалов, для чего смачивают их флуоресцирующим раствором и наблюдают за картиной распространения флуоресценции. Во многих химических производствах, в органической, технической и биологической химии применяют люминесцентный анализ для распознавания тех или иных компонент в сложных смесях. Известны плодотворные применения этого анализа в текстильном производстве, где легко обнаруживаются масляные пятна на тканях, невидимые простым глазом; в научных исследованиях, ибо флуоресцентные снимки отпечатков ископаемых, гораздо богаче подробностями, чем обычные снимки.

В криминалистической практике люминесцентный анализ позволяет легко установить следы крови, прочитать написанное невидимыми чернилами и т. д. Фотолюминесценция и катодолюминесценция многих минералов облегчают геологическую разведку, причем употребляются переносные осветители, позволяющие вести разведку непосредственно в породе. С помощью микроскопа можно наблюдать небольшие флуоресцирующие включения.

Эти и многие другие качественные определения не исчерпывают всех возможностей люминесцентного анализа. Возможно применение его и для количественных исследований. Для этой цели подыскивают реактив, вступающий в характерную реакцию с изучаемым веществом, дающую флуоресцирующие продукты, и обнаруживают последние при помощи люминесцентного анализа. Благодаря чрезвычайной чувствительности люминесцентного метода можно ограничиться ничтожными количествами исходного вещества. Подобным методом удалось, например, исследовать содержание озона в воздухе даже на больших высотах, причем пробы воздуха объемом в 10—20 л забирались при пролетах стратостатов на большой высоте, где давление не превышало 15—20 мм рт. ст. Таким образом, в распоряжении исследователя было всего около 0,5 г воздуха. Содержащийся в этом количестве озон был надежно измерен, хотя его содержание было меньше 0,00001%. Таким образом, практические применения люминесценции исключительно, разнообразны.

4.6 Действие света

4.6.1 Фотоэлектрический эффект. Законы внешнего фотоэффекта

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта — явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории.

В 1898 г. Ленард и Дж. Дж. Томсон методом отклонения зарядов в электрическом и магнитном полях определили удельный заряд заряженных частиц, вырываемых светом из катода. Он оказался таким же, как и для электронов. Отсюда следовало, что под действием света происходит вырывание электронов из вещества катода. Явление это носит название фотоэффекта. Электроны, вырванные под действием света, называются фотоэлектронами. Фотоэффект можно наблюдать в опыте, схема которого изображена на рисунке - 4.61.

Интенсивность облучения, разность потенциалов и ток в цепи при прочих неизменных условиях находятся между собой в определенной зависимости. Кривая, показывающая зависимость силы тока от напряжения при неизменном освещении, называется вольтамперной характеристикой (рисунок - 4.62). В направлении положительных значений V обозначены потенциалы, которые ускоряют электроны, а в направлении отрицательных значений V отложены потенциалы, которые задерживают движение электронов от катода к аноду.

Следует отметить две наиболее характерные особенности этих вольтамперных характеристик. Во-первых, наличие тока насыщения, т. е. такого максимального тока, величина которого при дальнейшем увеличении разности потенциалов остается практически постоянной. Очевидно, что по току насыщения можно определить полное число электронов, которое выбивается из катода при данной интенсивности облучения. Во-вторых, наличие задерживающего потенциала, при котором прекращается ток. Очевидно, что по задерживающему потенциалу можно определить максимальную энергию электронов, выбиваемых из катода. Построив вольтамперные характеристики для различных интенсивностей света, различных длин волн, различных материалов катода и т. были выяснены основные закономерности, которым подчиняется фотоэффект. Были установлены следующие закономерности фотоэффекта.

1) При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.

2) Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.

3) Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждого металла величины vmin, называемой красной границей фотоэффекта.


Рисунок - 4.61	Рисунок - 4. 62

Первую закономерность фотоэффекта, а также возникновение самого фотоэффекта легко объяснить, исходя из законов классической физики. Действительно, световое поле, воздействуя на электроны внутри металла, возбуждает их колебания. Когда амплитуда вынужденных колебаний достигает определенного значения, электроны покидают металл и наблюдается фотоэффект.

Ввиду того, что согласно классической теории интенсивность света прямо пропорциональна квадрату электрического вектора, число вырванных электронов растет с увеличением интенсивности света. Изложенные во второй и третьей закономерностях фотоэффекта данные находятся в резком противоречии с классическими представлениями о волновой природе света.

Для объяснения фотоэффекта Эйнштейн предположил, что свет распространяется не в виде непрерывной волны, а в виде дискретных порций энергии, называемых квантами, или фотонами. Энергия одного фотона, соответствующего свету с частотой ν, равна ε = hν , где h = 1,05 10^-34 Дж сек — величина, называемая постоянной Планка.

Фотон, столкнувшись с электроном в металле, передает ему свою энергию. Если переданная энергия достаточно велика, электрон может преодолеть силы, удерживающие его в металле, и выйти за пределы поверхности металла Естественно, что в этом процессе соблюдается закон сохранения энергии, который можно записать в следующем виде:

hν = A_вых + m_ev²/2

(4.72),

где A_вых— работа выхода электрона из металла, т. е. работа, которую должен совершить электрон против сил, удерживающих его в металле; m_ev²/2— кинетическая энергия, которую имеет электрон вне металла. Данное соотношение носит название уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Это уравнение позволяет полностью объяснить все особенности внешнего фотоэффекта. Интенсивность светового потока прямо пропорциональна числу фотонов в световом потоке. С другой стороны, очевидно, что число выбитых электронов прямо пропорционально числу фотонов. Отсюда следует, что число выбитых электронов прямо пропорционально интенсивности светового потока, что находится в согласии с первым законом фотоэффекта. Кинетическая энергия фотоэлектрона согласно последнего уравнению зависит только от частоты падающего света и не зависит от того, сколько других фотонов столкнулись с другими электронами, т. е. не зависит от интенсивности падающего света. Это согласуется со вторым законом фотоэффекта. Далее, из этого же уравнения видно, что если энергия падающих фотонов будет меньше, чем работа выхода из металла, то фотоэффект будет невозможен. Этим объясняется наличие красной границы в фотоэффекте. Ясно, что минимальная частота νmin , ниже которой фотоэффект невозможен, определяется уравнением

hν_min = A_вых

(4.73).

В отличие от рассмотренного выше внешнего фотоэффекта, при котором под действием света электроны выходят из исследуемой среды наружу, для полупроводников более характерны два других фотоэлектрических явления: внутренний и вентильный фотоэффекты.

Внутренний фотоэффект — это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению э. д. с.

В простейшем случае собственного полупроводника излучение возбуждает валентные электроны в зоне проводимости, где они находятся в свободном состоянии и могут участвовать в процессе переноса заряда. Вклад в проводимость дают также возникающие в валентной зоне дырки. В примесном полупроводнике n-типа кроме собственного фотоэффекта возможно еще возбуждение электронов из связанных состояний на донорных центрах в зону проводимости. Аналогичным образом в полупроводниках р-типа возможно возбуждение электронов из валентной зоны на акцепторные уровни, создавая тем самым подвижные дырки. Характерно, что в обоих случаях примесной фотопроводимости в кристалле генерируются свободные носители только одного знака. Так же, как и внешний фотоэффект, фотопроводимость проявляется в однородном материале в присутствии внешнего электрического поля.

Вентильный фотоэффект — возникновение э. д. с. (фотоэдс.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. На этом явлении основаны вентильные фотоэлементы, обладающие тем преимуществом перед фотосопротивлениями и внешними фотоэлементами, что они могут служить индикаторами лучевой энергии, не требующими внешнего питания. Но главная особенность вентильных фотоэлементов состоит в том, что они открывают путь для прямого превращения солнечной энергии в электрическую. В начале нашего века существовали фотоэлементы, работающие на контактах полупроводников и металлов. Однако в дальнейшем было показано, что наиболее эффективными являются фотоэлементы, основанные на использовании контакта двух полупроводников с р- и n-типами проводимости, т. е. на так называемом р-n переходе.

На явлении фотоэффекта основано действие множество фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы — приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.

Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи, э. д. с. которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например фотоэлектрический экспонометр, люксметр (измеритель освещенности) и т. д.

Для увеличения интегральной чувствительности вакуумных фотоэлементов баллон заполняется разреженным инертным газом (Аg или Ne). Фототок в таком элементе, называемом газонаполненным, усиливается вследствие ударной ионизации молекул газа фотоэлектронами.

Для усиления фототока применяются фотоэлектронные умножители, в которых наряду с фотоэффектом. используется явление вторичной электронной эмиссии. Размеры фотоэлектронных умножителей немного превышают размеры обычной радиолампы, общий коэффициент усиления составляет ≈107 (при напряжении питания 1 —1,5 кВ), а их интегральная чувствительность может достигать 10А/лм.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями (фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используются PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей имеют «красную границу» фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет производить измерения в далекой инфракрасной области спектра, а также в областях рентгеновского и гамма-излучений. Кроме того, они малогабаритны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротивлений — их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называют вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запирающим слоем). Обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, они имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность (примерно 2—30 мА/лм) и не нуждаются во внешнем источнике э. д. с. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, и др.

Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующих световую энергию в электрическую. Эти батареи уже в течение многих лет работают на советских космических спутниках и кораблях. К. п. д. этих батарей составляет ≈10 % и, как показывают теоретические расчеты, может быть доведен до ≈22 %, что открывает широкие перспективы их использования в качестве источников электроэнергии для бытовых и производственных нужд.

Рассмотренные виды фотоэффекта используются также в производстве для контроля, правления и автоматизации различных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в звуковом кино, в различных системах связи и т. д.

Blog

Содержание

4.5.2 Источники света