Фотоелектричні ефекти в науці і техніці

Тип: Дипломна робота.
Наука: Фізика.
Формат: docx.
К-сть сторінок: 84.
Короткий опис:

Зміст
Вступ. Відкриття квантової оптики
Розділ 1. Квантові властивості випромінення. Фотоефект
1.1. Фотоелектричний ефект. Дослідження О.Г.Столєтова
1.2. Рівняння Ейнштейна для фотоефекта

1.3. Суть явища фотоефекту
1.4. Фотоелектричні й фотохімічні явища
1.4.1. Спектральна характеристика фотоефекту
1.4.2. Селективний фотоефект
1.4.3. Вентильний фотоефект
1.4.4. Внутрішній фотоефект
1.4.5. Ефект Дембера (фотодифузійний ефект)
1.4.6. Фотоп’єзоелектричний ефект
1.4.7. Ефект Кікоїна-Носкова (фотомагнітний ефект)
1.4.8. Ядерний фотоефект
1.4.9. Фотохімічні явища
1.4.10. Фотопровідність напівпровідників
Розділ 2.Основні типи фото приладів
2.1. Характеристики фотоприймачів
2.2. Параметри фотоприймачів
2.3. Фоторезистори
2.4. Фотодіоди
2.5. Фототранзистори
2.6. Інжекційні фотодіоди
2.7. Лавинні фотодіоди
2.8. Ефекти лавинного множення у напівпровідниках
2.9. Особливості технології виготовлення ЛФД
Розділ 3.Застосування фотоелектричних приладів у техніці
3.1. Фотоприймачі для ультрафіолетового випромінювання
3.2. Фоточитання з перфострічок і перфокарт
3.3. Читання в дисководі CD-ROM
3.4. Цифрові фотоапарати
3.5. Оптичне опрацювання інформації
3.6. Фотоелектричні перетворювачі енергії (ФЕП)
Розділ 4.Методична частина використання роботи у школі
4.1. Структура шкільного курсу фізики
4.2. Факультативні курси з фізики
4.3. Типи факультативних курсів
4.4. План проведення факультативного заняття
4.5. План уроку фізики «Фотоелектричний ефект» в 11-му класі
Загальні висновки
Список використаних джерел

Вступ. Відкриття квантової оптики

Якщо роботи Ейнштейна по броунівському руху завершували одну епоху у фізиці, то роботи, виконані ним в тому ж 1905-у році по квантовій фізиці і теорії відносності, відкривали абсолютно іншу епоху в науці.

Ейнштейн в 1905-у році був не першим, хто заговорив про кванти. За п’ять років до нього, в 1900-у році, поняття квант (або елемент) енергії ввів Макс Планк. Але для нього це було всього тільки технічним прийомом. Кванти енергії не розглядалися як фізична реальність, а використовувалися як якась “проміжна” умовність, що допомагає теоретичним міркуванням, але виходить потім з остаточного результату. Про дрібні частинки світла говорив ще Ньютон, але і на початку 20-го століття у фізиків не було ніяких експериментальних підстав вірити в їх об’єктивне існування. До того ж всі оптичні явища чудово описувалися теорією електромагнітних хвиль, що спиралися на загальні рівняння електромагнетизму Максвела.

На початку 1905-го року Ейнштейн задався питанням, яке не приходило тоді в голову ні теоретикам, ні експериментаторам: чому матерія атомарна, тобто дискретна, а світло безперервне?

Конфлікт безперервності і дискретності виступає особливо гостро, якщо світло і атоми взаємодіють, – коли, наприклад, атоми випромінюють або поглинають світло. Ця ситуація, глибоко пережита і продумана Ейнштейном, підказала йому новий несподіваний погляд на фізичну природу світла. Він сформулював його так: коли промінь світла розповсюджується в простору від точки до точки, його енергія не розподіляється безперервно по зростаючому об’ємному просторі; навпаки, вона складається з кінцевого числа квантів енергії, кожний з яких рухається як ціле без дріблення і потім поглинається (атомом) теж цілком як якесь неподільне ціле. Це (майже буквальна) цитата з його березневої статті.

Як же одержаний цей висновок? Зовсім не в результаті логічної дедукції. З рівнянь Максвела він не витікає і не може бути доведений як математична теорема – на зразок теорем геометрії. Твердження Ейнштейна – не теорема і не наслідок чогось загальнішого. По своїй ролі воно є аксіомою, або постулатом. На цьому висунутому їм постулаті і грунтується вся побудована потім квантова фізика.

Не дарма вже в самій назві статті Ейнштейн визнав доречним попередити читача, що йдеться про “евристичну точку зору”, тобто про здогадку творчої уяви, вільної фізичної інтуїції. Значення твердження можна роз’яснити на наочному рівні, – що і зроблено в приведеній вище фразі. Можна вказати корисну аналогію: сукупність квантів світла схожа на ідеальний газ, що теж зроблене у Ейнштейна. Але довести або спростувати постулат чисто логічним шляхом не можна; це може зробити лише експеримент – верховний суддя всіх постулатів, гіпотез і теорем.

Чудово, що в статті Ейнштейна була не тільки фізична ідея дискретності світла, але і ряд конкретних додатків, що ясно демонструють її продуктивність. Самим вражаючим з них було пояснення фізичної природи (і кількісних закономірностей) фотоелектричного ефекту, або фотоефекту. Це явище випуску електронів металом при падінні на нього світла. За теорію фотоефекту – за неї, а не за квантову фізику або теорію відносності – Ейнштейн одержав свою Нобелівську премію.

Саме для світла, а точніше, для електромагнітного поля, була вперше запропонована ідея квантового опису. “Випромінене світло проходить порціями – квантами” – таке припущення багатьом вдавалось парадоксальним, але воно стало основним для цілого розділу оптики. Воно дозволило пояснити форму спектра випромінення нагрітих тіл, яке раніше пояснити не вдавалось. Попередні спроби розрахувати спектр випромінення приводили до того, що в області малих довжин хвиль (більших енергій), тобто в ультрафіолетовій частині спектру, виникали безмежно великі значення, тобто розбіжності. Розуміється, в експерименті ніяких розбіжностей не спостерігалось, і ця невідповідність поміж теорією і експериментом отримала назву “ультрафіолетової катастрофи”. Припущення про те, що випромінення світла відбувається порціями, дозволило прибрати розбіжності в теоретично розрахованих спектрах і тим самим позбавило фізику від “ультрафіолетової катастрофи”.

Окрім спектрів випромінення, у фізиці залишалось ще одне незрозуміле місце, а саме, явище фотоефекта. Було незрозуміло, чому кінетична енергія електронів, що вибиваються світлом з металу, зовсім не залежить від інтенсивності світла, як можна було чекати, але залежить від частоти світла. Більш того, світло досить малої частоти зовсім не спроможне визвати фотоефект. Оскільки мала частота світла відповідає червоній частині спектру, то це явище називають червоною межею фотоефекту. У 1905 р. Альберт Ейнштейн використовував для пояснення фотоефекту гіпотезу квантів. Ідея Ейнштейна заключалась в тому, що кожному електрону достається одна порція енергії – один квант. І якщо енергія цього кванта мала, її просто не вистачає для виходу електрона із метала. На основі цієї ідеї Ейнштейн розвив теорію фотоефекта, яка чудово підтвердилась експериментальними даними.

Після успішного пояснення фотоефекта фізика прийшла до твердження, що світло і випромінюється, і поглинається порціями. Це спонукало Ейнштейна зробити наступний крок і запропонувати, що світло завжди має дискретну структуру. ця чудова ідея була лише гіпотезою: тому що з того, що поглинання і випромінення світла відбувається порціями, ще не слідує, що світло і існує тільки у вигляді порцій. Але саме ця ідея оправдовує назву “квантова оптика”, і саме с розвитком квантової оптики з’явились більш вагомі аргументи на користь квантової природи світла.

Прямий експериментальний доказ існування квантів був вперше даний Артуром Комптоном в 1923-у році. У своїх дослідах по розсіянню рентгенівського проміння на електронах він показав, що проміння “відскакує” від електронів в точності так, як набір більярдних куль. До цього ж, тобто протягом майже двох десятиліть, ідея світлових квантів рішуче відкидалася Планком (у іншому винятково прихильним до Ейнштейна і його ідей), та і взагалі всім науковим співтовариством. Навіть майбутній класик квантової фізики Нільс Бор рахував (у 1922-у році, а це рік, коли Ейнштейн одержав Нобелівську премію) ідею квантів абсолютно безплідною.

З середини 1920-х років кванти світла і взагалі електромагнітні хвилі всіх частот називають фотонами. У сучасній фізиці фотони – елементарні частинки (не мають маси і “істинно нейтральні”, тобто тотожні своїм античасткам, зі спіном 1), що переносять електромагнітну взаємодію.

Отже, світло таке ж атомарне, дискретне, як і матерія, – така відповідь одержана Ейнштейном в 1905-у році на поставлене їм перед собою фундаментальне питання. Разом з тим йому було ясно, що в таких процесах як, наприклад, відбивання і заломлення, світло поводиться в точності як безперервна в просторі хвиля.

Пізніше було встановлено, що і матерія не тільки дискретна, але і безперервна, по своїх властивостях. У ряді процесів сукупність частинок матерії поводиться подібно хвилям. Хвилі матерії (хвилі де Бройля) видно, наприклад, в дослідах по дифракції електронів.

Насправді конфлікт безперервності і дискретності існує не в природі речей, а тільки в теорії, в наших уявленнях про них. За видимою в експерименті картиною дискретної або безперервної поведінки фізичних об’єктів “повинне бути щось ще, глибоко приховане” (якщо знову пригадати слова Ейнштейна з його “Творчої автобіографії”). Це приховане – не дискретність і безперервність в якійсь їх комбінації, а щось третє, що (за відсутністю кращої назви) іменується корпускулярно-хвильовими властивостями. Ними володіють всі на світі фізичні об’єкти.

Частинки чи хвилі? на початку XX ст. кванти світла стали називати фотонами, і незабаром стало загальноприйнятим твердження: “Всесвіт складається з фотонів”. Таким чином, фізика повернулась до уявлень про світло як про потік корпускул (частинок), яких придержувався ще Ньютон. Тим не менше, хвильові явища, що спостерігаються для світла, наприклад, інтерференцію і дифракцію, не вдавалось пояснити з точки зору корпускулярної структури світла. Виходило, що світло, і електромагнітне випромінення – це хвилі і в той же час потік частинок. Поєднати ці дві точки зору дозволив розвиток до середини XX ст. квантовий підхід до опису світла. З точки зору такого підходу, електромагнітне поле може знаходитись в одному із різних квантових станів. При цьому існує лише один виділений клас станів з точно заданим числом фотонів – фоківський стан названий так по імені В.А.Фока. У фоківськіх станах число фотонів фіксоване і може бути виміряне із якою завгодно високою точністю. В інших станах вимір числа фотонів завжди дає деякий розбіг. Тому фразу “світло складається із фотонів” не треба розуміти буквально – так, наприклад, світло може знаходитись в такому стані, що з вірогідністю 99% він не містить фотонів, а з вірогідністю 1% він містить два фотона. І яким би точним приладом ми не намагались виміряти число фотонів в цьому стані, вимірювання дає то результат “нема фотонів”, то результат “один фотон”. У цьому одна із відмінностей фотона від інших елементарних частинок – наприклад, кількість електронів в обмеженому об’ємі задано цілком точно, і його можна визначити, вимірявши повний заряд і розділивши на заряд одного електрона. Кількість фотонів, що знаходяться в деякому об’ємі простору протягом деякого часу, виміряти точно можна в дуже рідких випадках – а саме, тільки тоді, коли світло знаходитися у фоківських станах. Тут треба відмітити, що цілий розділ квантової оптики і присвячений розробці способів виготовлення світла в різних квантових станах.

rar

 Завантажити