Реферат: Фотоэффект
Содержание
Введение 3
1. Фотоэффект 6
2. Устройство фотоэлектронных приборов 11
3. Применение фотоэлектронных приборов 16
Заключение 24
Список использованной литературы 25
Дата добавления на сайт: 14 марта 2024
Скачать работу 'Фотоэффект':
Содержание
TOC \\o \"1-3\" \\h \\z \\u Введение3
1. Фотоэффект6
2. Устройство фотоэлектронных приборов11
3. Применение фотоэлектронных приборов PAGEREF _Toc153808468 \\h 16
Заключение24
Список использованной литературы PAGEREF _Toc153808470 \\h 25
ВведениеВ общем случае термин “ФОТОЭФФЕКТ” означает любые изменения, которые происходят с веществом при поглощении им электромагнитного излучения. Это могут быть, например, изменения строения и свойств молекул и кристаллов (фотохимический эффект), увеличение скорости химических реакций (фотокаталитический эффект), изменение характеристик движения носителей электрического заряда в веществе (фотоэлектрический эффект) и другие явления. Исторически, однако, сложилось так, что под фотоэффектом подразумевают главным образом фотоэлектрические явления, которые можно разделить на два основных вида:
1) внешний фотоэффект, или фотоэлектронная эмиссия, которая представляет собой испускание освещенным телом свободных электронов в вакуум; свободные электроны могут собираться на анод, фокусироваться или ускоряться электрическим полем. Фотоэлектронная эмиссия используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах с внешним фотоэффектом и в более сложных вакуумных приборах, в которых фотоэмиттер служит источником свободных электронов;
2) внутренний фотоэффект, заключающийся в переходе электронов в объеме освещенного полупроводника в возбужденное состояние (т. е. на более высокие энергетические уровни) без изменения нейтральности твердого тела, т. е. без выхода электронов за его пределы. Внутренний фотоэффект проявляется, например, в виде изменения концентрации электронов проводимости в полупроводнике при его освещении, т. е. в изменении связанных с этим электрических свойств полупроводникового материала. Внутренний фотоэффект используется в большом классе полупроводниковых приемников излучения — в фоторезисторах, фотодиодах, солнечных батареях и других приборах.
История развития учения о фотоэлектричестве и создании фотоэлектронных приборов насчитывает более 150 лет. Еще в 1839 г. А. Беккерель впервые обнаружил образование фотоЭДС на контактах разнородных материалов. К 1873 г. относятся первые сообщения о зависимости сопротивления селена от освещения. В 1875 г. был построен первый селеновый фотоэлемент, использующий это свойство, а в 1876 г. — первый селеновый фотоэлемент с запирающим слоем.
Внешний фотоэффект был открыт в 1887г. Г. Герцем, который установил, что электрический разряд между двумя проводниками происходит значительно сильнее, когда металлические электроды освещаются светом, богатым ультрафиолетом (например, светом от искры другого разрядника). Сам термин фотоэлектрические явления впервые был использован итальянским ученым Аугусто Риги, который в 1888 г. обнаружил, что проводящая пластинка, освещенная пучком ультрафиолетовых лучей, заряжается положительно. В том же 1888 году в России А. Г. Столетовым были выполнены фундаментальные работы по исследованию фотоэмиссии и сформулированы основные законы внешнего фотоэффекта. Ф. Ленард и Дж. Дж. Томсон в 1889 г. доказали, что при фотоэффекте испускаются электроны. В 1889 г. Эльстер и Гейтель построили первый вакуумный фотоэлемент с фотокатодом из сплава натрия и калия.
Открытие и исследование внешнего фотоэффекта сыграло важную роль в экспериментальном обосновании квантовой теории. Только на основе гипотезы о квантовании энергии электромагнитного поля, проявляющемся в процессах испускания и поглощения света, А. Эйнштейну в 1905 г. удалось объяснить основные закономерности фотоэффекта, за что в 1921 г. ему была присуждена Нобелевская премия.
Основными законами внешнего фотоэффекта (справедливыми для любого материала фотоэмиттера) являются следующие экспериментально установленные соотношения:
1. Величина фототока в режиме насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего света, если спектральный состав излучения неизменен (закон Столетова)..
2. Для каждого вещества существует длинноволновая (красная) граница спектра излучения λо, за которой (при λ > λо ) фотоэмиссии не происходит. Эту наибольшую длину волны λо (или наименьшую энергию кванта hνо ) излучения, еще вызывающего фотоэффект, называют также длинноволновым порогом фотоэффекта, а соответствующую ей наименьшую частоту νо= λо /с порогавой частотой (с – скорость света).
3. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна).
Несмотря на то, что внутренний фотоэффект был открыт значительно раньше внешнего, теоретические представления об этом явлении были сформулированы значительно позже. Понимание механизма внутреннего фотоэффекта оказалось возможным только на основе представлений квантовой механики, получившей бурное развитие в 20х – 30х годах прошлого столетия. Применение квантово-механической теории строения атомов для объяснения строения и свойств веществ привело к созданию зонной теории твердого тела и общей теории полупроводников. Именно на основе последней в сороковых годах началось интенсивное развитие теории внутреннего фотоэффекта, приведшей к разработке большого числа новых полупроводниковых фотоэлектронных приборов.
В настоящее время фотоэлектронные приборы широко применяют во многих областях науки и техники. ФотоэффектВ экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ, и при неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения. На рис. 2 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.
Рисунок 2.
Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 – токи насыщения, Uз – запирающий потенциал.
Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода. Тщательные измерения показали, что ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света. Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает |eU|. Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекращается. Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:
К удивлению ученых, величина Uз оказалась не зависящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света (рис. 3).
Рисунок 3.
Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света.
Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.
Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.
Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.
Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.
Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям электрон при взаимодействии с электромагнитной световой волной должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели невозможно было также понять существование красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока, пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.
Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.
Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hν, где h – постоянная Планка Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что и свет имеет прерывистую дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:
Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.
С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта. Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.
Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν (рис. 5.2.3), равен отношению постоянной Планка h к заряду электрона e:
Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены Р. Милликеном (1914 г.) и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком. Эти измерения позволили также определить работу выхода A:
где c – скорость света, λкр – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У большинства металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10–19 Дж). В квантовой физике часто используется электрон-вольт в качестве энергетической единицы измерения. Значение постоянной Планка, выраженное в электрон–вольтах в секунду, равно
h = 4,136·10–15 эВ·с. Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта λкр ≈ 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.
Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов.
Энергия фотонов равна
E = hν.
Фотон движется в вакууме со скоростью c. Фотон не имеет массы, m = 0. Из общего соотношения специальной теории относительности, связывающего энергию, импульс и массу любой частицы,
E2 = m2c4 + p2c2, следует, что фотон обладает импульсом
Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах – корпускулах.
Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма. Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком , и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.
Устройство фотоэлектронных приборовК фотоэлектронным приборам относятся фотоэлементы, фотоумножители, а также полупроводниковые устройства различного вида.
Фотоэлемент, действие которого основано на фотоэлектронной эмиссии (внешнем фотоэффекте), представляет собой электровакуумный прибор с двумя электродами — фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещёнными в вакуумированный либо газонаполненный стеклянный баллон. Фотокатодом служит фоточувствительный слой, который наносится либо непосредственно на участок стеклянного баллона, либо на поверхность металлической пластинки, смонтированной внутри баллона; анод имеет вид металлического кольца или сетки (рис. 4). Для улучшения характеристик фотоэлемента катод и анод обычно располагают плоскопараллельно с зазором 0,3—3 мм. Материалами для фотокатода обычно служат щелочные или щелочноземельные металлы, а также некоторые их соединения, обладающие малой величиной работы выхода электронов. Для таких материалов длинноволновый порог фотоэффекта лежит в видимой области спектра. Наибольшее распространение среди фотоэлементов с внешним фотоэффектом получили вакуумные фотоэлементы с сурьмяно-цезиевым, многощелочным и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами.
132270517018000
Рис. 4. Типичные конструкции вакуумных фотоэлементов: А - вывод анода; К – вывод фотокатода; ОК - вывод металлического охранного кольца (устанавливается для исключения попадания токов утечки на нагрузку).
В газонаполненных фотоэлементах в результате ионизации газа и возникновения несамостоятельного лавинного разряда фототок усиливается (например, коэффициент усиления при заполнении фотоэлемента аргоном составляет 6 – 8 ). Применение газонаполненных фотоэлементов ограничено из-за недостаточной стабильности приборов и нелинейности их световой характеристики — зависимости фототока от падающего светового потока.
Для получения сигнала от фотоэлемента его необходимо включить в электрическую цепь, состоящую из источника напряжения и сопротивления нагрузки (рис. 5). Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности катода; при замыкании цепи в ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку.
20847052921000
Рис. 5. Схема включения фотоэлемента с внешним фотоэффектом: К — фотокатод; А — анод; Ф — световой поток; Е—источник постоянного тока, служащий для создания в пространстве между катодом и анодом электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны; Rн — нагрузка.
Фотоэлементы широко применяются в различных приборах и системах для регистрации световых потоков, однако их недостатком является низкая чувствительность. Это обусловлено тем, что в фотоэлементах через сопротивление нагрузки проходит непосредственно фототок, величина которого ограничена числом квантов света, попавших на фотокатод. В то же время в некоторых областях науки и техники, например в спектральном анализе или при астрономических наблюдениях удаленных слабосветящихся объектов, необходимо регистрировать очень слабые потоки света. Для этих целей были разработаны специальные фотоэлектронные приборы, которые называются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), или просто фотоумножителями.
В фотоумножителях для усиления слабых фотоэлектронных потоков использовано явление вторичной электронной эмиссии. Они содержат кроме фотокатода и анода дополнительно один или несколько электродов, являющихся эмиттерами вторичных электронов. Эмиттеры вторичных электронов называют динодами, а систему электродов, обеспечивающую умножение электронов — динодной системой. Принципиальная схема ФЭУ показана на рис. 3, общий вид одного из типов прибора – на рис.6.
25590533972500
Рис. 6. Принципиальная схема ФЭУ с делителем напряжения: ФК — фотокатод; I — фокусирующий электрод; Д — диафрагма; Э1. . . .Э5 — диноды; А — анод; RД — сопротивление делителя напряжения; RН — нагрузочное сопротивление в цепи анода; Са — емкость анода.
Падающее на фотокатод излучение вызывает фотоэлектронную эмиссию. Число электронов, эмитируемых в единицу времени фотокатодом, пропорционально интенсивности излучения. Электроны покидают фотокатод под различными углами к его поверхности и с различными начальными скоростями. Для того чтобы собрать их на первый динод Э1, необходима фокусирующая электронно-оптическая система. Она состоит из ряда электродов (I, Д), образующих электростатические линзы. Пространство между фотокатодом и первым динодом называют входной камерой ФЭУ. Во входной камере осуществляется фокусировка и ускорение фотоэлектронов, направляемых па первый динод. Фотоэлектроны, падая на первый динод, вызывают вторичную электронную эмиссию. Количество вторичных электронов, покидающих первый динод, в несколько раз больше, чем число фотоэлектронов, и зависит от материала динода и ускоряющего напряжения между катодом и первым динодом (т. е. от энергии первичных электронов). Вторичные электроны направляются на второй динод, умноженный поток электронов со второго динода — на третий и т. д. Напряжение на электроды ФЭУ подается таким образом, чтобы между каждой парой динодов создавалось электрическое поле, ускоряющее электроны от предыдущего динода к последующему. Получаемое таким образом усиление фототока может достигать нескольких тысяч, т.е. один квант света, попавший на фотокатод ФЭУ, приводит к прохождению через сопротивление нагрузки нескольких тысяч электронов.
Фотоэлемент, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте, представляет собой полупроводниковый прибор с выпрямляющим полупроводниковым переходом (р – п - переходом) или контактом металл— полупроводник (рис. 7).
20847058509000
Рис. 7. Схема фотоэлемента с внутренним фотоэффектом: р и п — области полупроводника с дырочной и электронной проводимостями. Пунктирной линией обозначен р-n - переход.
При поглощении оптического излучения в таком фотоэлементе увеличивается число свободных носителей заряда внутри полупроводника, которые пространственно разделяются электрическим полем перехода (контакта). Избыток носителей заряда, возникающий по обе стороны от потенциального барьера, создаёт в полупроводниковом фотоэлементе разность потенциалов, т.е. фотоэдс. Поэтому полупроводниковый фотоэлемент может работать без внешнего источника напряжения. При замыкании внешней цепи фотоэлемента через сопротивление нагрузки начинает протекать электрический ток. В качестве материала для полупроводникового фотоэлемента наиболее часто применяют Se, GaAs, CdS, Ge и Si.
Полупроводниковые фотоэлементы используют как приёмники оптического излучения, а также для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию в солнечных батареях. Коэффициент преобразования солнечного излучения (отношение электрической мощности, развиваемой в нагрузке, к падающей световой мощности) в таких батареях достигает 22%.Применение фотоэлектронных приборовК основным областям применения фотоэлектронных приборов могут быть отнесены следующие:
1. Объективная фотометрия, различного рода световые, цветовые, спектральные измерения (спектроскопия и спектрофотометрия), а также измерение весьма слабых излучений (в астрофизике, в биологии и других областях научного исследования).
2. Фотоэлектрический контроль и управление производственными процессами, автоматика, транспорт, бытовая техника.
3. Электронные счетные, запоминающие и записывающие устройства.
4. Регистрация и измерение инфракрасного излучения, сигнализация и локация в видимых и инфракрасных лучах, техника ночного видения.
5. Системы оптической связи на лазерах.
6. Преобразование энергии солнечного излучения непосредственно в электрическую энергию (солнечные батареи, широко применяющиеся для питания аппаратуры искусственных спутников Земли и других устройств).
7. Оптоэлектроника.
Этот обширный (но все же неполный) список областей науки и техники, использующих фотоэлектронные приборы, показывает, какое большое значение приобрела фотоэлектроника в современной жизни. Рассмотреть все применения фотоэлектроники данном реферате невозможно, поэтому ниже будут описаны только несколько наиболее важных областей.
3.1. Спектральный анализ
Спектральный анализ – это совокупность методов определения элементного и молекулярного состава и строения вещества по их спектрам. С его помощью определяют как основные компоненты, составляющие 50 – 60 % вещества анализируемых объектов, так и незначительные примеси в них (до 10-5 – 10-8 % и менее). Спектральный анализ является наиболее распространенным аналитическим методом – с его помощью выполняется свыше 30 % всех анализов. В их числе контроль состава сплавов в металлургии, автомобильной и авиационной промышленности, анализ материалов и продуктов их переработки в химической промышленности, биохимические анализы в медицине (т.е. практически во всех поликлиниках, больницах и медицинских центрах), экологические анализы (контроль загрязнений воздуха, воды и почвы) и др. Особо важное значение спектральный анализ имеет при поисках полезных ископаемых.
Наиболее простым методом спектрального анализа является фотометрический (абсорбционный), основанный на избирательном поглощении света анализируемым веществом. При взаимодействии со световой энергией в атомах поглощающего вещества происходит переход электронов на более удаленные от ядра энергетические уровни. Электронные переходы, вызванные поглощением строго определенных квантов световой энергии, характеризуются появлением столь же строго определенных полос поглощения в электронных спектрах поглощающих атомов или молекул. Таким образом, каждое вещество обладает способностью поглощать лучистую энергию в виде квантов энергии, соответствующих определенным длинам волн. Линии или полосы поглощения располагаются в ультрафиолетовой (200—400 нм), видимой (400—700 нм) или инфракрасной областях спектра (>700 нм).
Первоначально фотометрический анализ был основан на визуальной оценке интенсивности окраски исследуемого образца; метод получил название колориметрия (от греческого колор — цвет). В простейшем случае при колориметрировании исследуемый образец (прозрачное стекло, кристалл или окрашенный раствор) рассматривается на фоне белого экрана и его окраска сравнивается с окраской эталонного образца. Этот метод имеет чисто качественный характер и только в отдельных случаях позволяет приближенно оценить концентрацию вещества в исследуемом растворе, если есть возможность приготовить набор эталонных растворов этого же вещества.
С появлением фотоэлектронных приборов были разработаны приборы для количественного измерения светопоглощения растворов — фотоэлектроколориметры — и метод стал называться фотоколориметрическим или фотометрическим. В фотометрах из сплошного спектра излучения источника света (обычно – лампа накаливания – I ) с помощью светофильтра ( II ) выбирают участок, соответствующий области, в которой поглощает окрашенный раствор ( III ). Светофильтры для фотометрирования выбирают так, чтобы максимум поглощения раствора соответствовал максимуму пропускания (минимуму поглощения) светофильтра. Фотометрическое определение получается тем точнее, чем более узкий участок спектра удается выделить светофильтром Свет, прошедший через раствор, падает на фотоэлемент ( IV ), фототок которого измеряется прибором ( V ). Чем выше поглощение раствора (чем сильнее он окрашен), тем меньше света попадет на фотоэлемент и тем слабее будет фототок. Если фотометр проградуировать соответствующим образом, то с его помощью можно проводить количественные измерения концентрацией окрашенного вещества в растворе.
Фотометры являются наиболее простыми из спектральных приборов. Тем не менее, они широко используются там, где требуется проведение большого числа однотипных анализов по стандартной методике, например биохимических анализов крови в больницах и поликлиниках. Для этих целей выпускают специализированные фотометры, которые позволяют делать много анализов за короткий промежуток времени.
Для более сложных анализов, требующих измерений не только степени поглощения света веществом, но и зависимости этого поглощения от длины волны излучения, используются приборы, называемые спектрофотометрами. В этих приборах излучение источника света с помощью какого-либо диспергирующего элемента (призма, дифракционная решетка и др.) разворачивается в спектр по длинам волн. В фокальной плоскости прибора устанавливается щель, через которую проходит излучение в узкой спектральной области. Такое устройство называется монохроматором.
Его функция аналогична функции светофильтра в фотометре, однако оно дает большую степень монохроматизации излучения источника света, что существенно повышает точность измерений поглощения. Кроме того, устройство монохроматора позволяет проектировать на выходную щель различные участки спектра излучения источника и таким образом освещать исследуемый образец светом с различными длинами волн. Интенсивность прошедшего через образец излучения измеряется с помощью фотоэлектронного прибора, сигнал которого передается в компьютер для дальнейшей обработки. Зависимость поглощения вещества от длины волны излучения называется спектром поглощения, который является индивидуальной характеристикой, своего рода паспортом данного вещества.
Чаще всего для регистрации сигнала в спектрофотометрах применяют фотоумножители, потому что они обладают наибольшей чувствительностью и позволяют измерять слабые световые потоки. Недостатком ФЭУ при использовании их в спектрофотометрах является то, что в каждый данный момент времени они могут регистрировать излучение только в одной узкой спектральной области. Для получения полного спектра в монохроматоре, как отмечено выше, предусмотрено устройство сканирования, т.е. последовательного прохождения различных участков спектра мимо выходной щели. В большинстве случаев сканирование осуществляется механическим способом – путем поворота диспергирующего элемента спектрометра. В зависимости от условий измерения сканирование спектра может потребовать от одной до нескольких десятков минут времени, что снижает оперативность работы прибора.
3.2. Регистрация изображений
Достижения в области полупроводниковой электроники привели к созданию полупроводниковых фотоэлементов размером всего несколько микрон. На площади 1 мм2 можно разместить несколько десятков тысяч таких фотоэлементов (фотодиодов).
Создание матриц фотоэлектронных элементов произвело революцию во многих областях, связанных с получением, обработкой и хранением информации, в том числе различных изображений. Особенно наглядно это видно по той стремительности, с какой завоевывает мир цифровая фотография. Продажи обычных фотоаппаратов и фотоматериалов на основе светочувствительных солей серебра снижаются на десятки процентов в год даже у таких известных мировых производителей, как фирма Кодак.
Цифровой фотоаппарат отличается от обычного тем, что на месте фотопленки в нем размещена матрица фотодиодов, содержащая до десяти миллионов элементов. С помощью специальной схемы управления сигнал от каждого фотоэлемента передается в запоминающее устройство, также находящееся в корпусе фотоаппарата. Устройство памяти позволяет, в зависимости от его емкости, накапливать до нескольких сотен фотоснимков. Полученные снимки можно рассматривать на экране компьютера или перевести в бумажную форму, распечатав на фотопринтере.
Матрицы фотоэлементов нашли применение и в других областях, например, в спектроскопии. Как отмечалось выше, недостатком обычных спектрофотометров является относительно большое время получения спектров исследуемого вещества, что связано с принятым в них принципом последовательного сканирования спектра.
Для преодоления этого недостатка были разработаны новые схемы спектрофотометров с использованием полупроводниковых фотоэлементов, объединенных в линейки или матрицы. Такая линейка размещается вместо выходной щели в фокальной плоскости монохроматора, на которую проектируется спектр излучения, прошедшего через исследуемый объект. Каждый фотодиод регистрирует маленький участок спектра, пространственно совпадающий с размером его чувствительной площадки. Сигналы от всех фотодиодов считываются в компьютер за очень малый промежуток времени, так что регистрация всего спектра происходит практически одномоментно.
3.3. Солнечные батареи
Как отмечалось ранее, на основе полупроводниковых фотоэлементов были разработаны устройства преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию - солнечные батареи, представляющих собой набор из нескольких солнечных элементов, объединенных в общую электрическую цепь. Наибольшее применение получили конструкции солнечных элементов, представляющие собой плоскую (базовую) полупроводниковую пластину с тонким фронтальным слоем полупроводника, имеющего тип проводимости, противоположный типу проводимости базовой области. Под действием света в полупроводнике генерируются дополнительные носители заряда, которые перемещаются под действием электрического поля р-n - перехода и создают на внешних выводах фотоэдс.
Энергетические характеристики солнечных батарей определяются материалом фотоэлемента, конструктивными особенностями, количеством элементов в батарее. Распространёнными материалами для солнечных элементов являются Si, GaAs, CdS, CdTe, причем наиболее высокий кпд получен у элементов на основе Si (17% при освещении в земных условиях) и элементов на основе GaAs (22%). Число элементов в батарее может достигать нескольких сотен тысяч, площадь панели — тысяч м2, ток солнечной батареи — сотен ампер, напряжение — сотен вольт, генерируемая мощность — несколько десятков и сотен кВт.
Достоинствами солнечных батарей являются их простота, надёжность и долговечность, малая масса и миниатюрность, генерирование энергии без загрязнения окружающей среды; основной недостаток — высокая стоимость. Они применяются на космических летательных аппаратах, где занимают доминирующее положение среди других источников автономного энергопитания. Солнечные батареи обеспечивают электропитание большого количества научной аппаратуры, в том числе телевизионной камеры для стереосъемки поверхности планеты с разрешением до 10 метров, нескольких спектрометров для регистрации излучения в различных диапазонах спектра, анализатора плазмы и нейтрального газа, аппаратуры дл радиопросвечивания атмосферы и пр.
В земных условиях солнечные батареи используют для питания устройств автоматики, переносных радиостанций, приёмников, для катодной антикоррозионной защиты нефте- и газопроводов и др. Необходимо отметить значительный рост интереса во всем мире к использованию экологически чистых, возобновляемых источников энергии, к которым относится излучение Солнца. Этот интерес во многих странах связан как с ростом цен на традиционные энергоносители, так и с угрозой антропогенного загрязнения окружающей среды, в том числе энергетическими объектами.
В последние годы внимание к новым источникам энергии резко возросло и в России. Несмотря на то что страна обладает колоссальными запасами нефти, газа и угля, затраты на их добычу и транспортировку неуклонно растут. Большая часть территории с населением около 20 млн. человек не имеет централизованных систем электро- и теплоснабжения. В условиях быстрого роста тарифов (в некоторых регионах России за последние 4 года - в 3-5 раз) многие потребители предпочитают использовать собственные, в том числе нетрадиционные автономные источники энергии. Появляются новые области их эффективного практического применения.
Бытует мнение, что солнечная энергия может эффективно использоваться только в южных странах, а Россия после распада Советского Союза стала считаться северной страной, где солнечного излучения недостаточно и использовать его нецелесообразно.
Последние исследования и разработки специалистов Института высоких температур Российской академии наук (ИВТ РАН) доказывают несостоятельность такой точки зрения. В Лаборатории возобновляемых источников энергии и энергосбережения ИВТ РАН завершена разработка Атласа распределения ресурсов солнечной энергии по территории России.
Оказалось, что в сегодняшних границах России наиболее солнечными являются не районы Северного Кавказа, как предполагают многие, а регионы Приморья и юга Сибири (от 4.5 до 5-0 кВт-ч/м2 день). Интересно, что Северный Кавказ, включая известные российские черноморские курорты (Сочи и др.). по среднегодовому поступлению солнечной радиации относятся к той же зоне, что и большая часть Сибири, включая Якутию (4.0-4,5 кВт-ч/м2день). Более 60% территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением от 3-5 до 4,5 кВт-ч/м2день. Таким образом, солнечные батареи, при условии существенного снижения их стоимости, могут найти широкое применение в малой энергетике на большей части территории нашей страны.
Новые направления технического развития влекут за собой разработку фотоэлектронных приборов новых типов, усовершенствование их параметров и методов изготовления. Так, развитие ядерной физики стимулировало разработку большого числа новых фотоумножителей с отличными от прежних параметрами. Создание космических летательных аппаратов потребовало новых приемников ультрафиолетового излучения и фотоэлектрических источников питания — солнечных батарей. Оптоэлектроника требует весьма малогабаритных фотоэлектронных приемников с малой инерционностью и высокой чувствительностью. Многие проблемы биофизики, биологии, медицины решаются с помощью специальных фотоэлектронных устройств. Задача полной автоматизации производственных процессов не может быть решена без широкого развития фотоэлектронной техники, требующей глубокого изучения теоретических принципов работы фотоэлектронных устройств и высокого уровня технологии.ЗаключениеФотоэффект - испускание электронов телами под действием света, который был открыт в 1887 г. Герценом. В 1888 Гальвакс показал, что при облучении ультрафиолетовым светом электрически нейтральной металлической пластинки последняя приобретает положительный заряд. В этом же году Столетев создал первый фотоэлемент и применил его на практике, потом он установил прямую пропорциональность силы фототока интенсивности падающего света. В 1899 Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны.
Фотоэффект широко используется в технике. На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов. Комбинация фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество ”видящих” автоматов , которые вовремя включают и выключают маяки , уличное освещение, автоматически открывают двери , сортируют детали, останавливают мощный пресс, когда рука человека оказывается в опасной зоне . С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука , записанного на киноплёнке.
Число областей науки и техники, в которых нашли применение приборы на основе фотоэлектрического эффекта, весьма значительно и продолжает увеличиваться. В данном реферате, ввиду ограниченности его объема, рассмотрены лишь некоторые из них. Но даже этот краткий обзор показывает, какое большое значение приобрела фотоэлектроника в современной жизни.
Новые направления технического развития влекут за собой разработку фотоэлектронных приборов новых типов, усовершенствование их параметров и методов изготовления. Так, развитие ядерной физики стимулировало разработку большого числа новых фотоумножителей с отличными от прежних параметрами. Устройства считывания информации с лазерных дисков требуют весьма малогабаритных фотоэлектронных приемников с малой инерционностью и высокой чувствительностью. Многие проблемы биофизики, биологии, медицины решаются с помощью специальных фотоэлектронных устройств. Список использованной литературыЛьоци М. История физики. М. “Мир”, 1970.
Физическая энциклопедия, в 5и томах, т. 5, М. “Б.Рос.энцикл.”, 1998.
Соболева Н.А., Меламид А.Е., Фотоэлектронные приборы. Учебное пособие для студентов вузов. М. изд. “Высшая школа”, 1974.
Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. Ленинград, изд. “Химия”, 1986.
Попель О., Прошкина И. Солнечная Россия. Журн. “В мире науки” № 1, 2005, стр. 14 – 17.