Электромагнитное поле
Определение показателей преломления. Электронная теория дисперсии. Поглощение и рассеяние света. Механизм, виды и законы отражения. Формулы Френеля. Фотоэлектронная эмиссия. Взаимодействие излучения с веществом. Применение фотоэффекта в машиностроении.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 07.01.2015 |
| Размер файла | 144,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
Распространяясь в веществе электромагнитное поле световой волны вызывает вынужденные колебания связанных зарядов (электронов, ионов). Колеблющиеся с частотой вынуждающей силы заряды являются источником вторичных волн. Если среда однородна и изотропна, то в результате наложения первичной и вторичной волн образуется проходящая волна, фазовая скорость которой зависит от частоты. Если в среде имеются неоднородности, то дополнительно происходит рассеяние света. На границе раздела двух сред в результате интерференции первичной и вторичной волн образуется отраженная и преломленная волна.
Прохождение света через вещество также сопровождается поглощением света, т.е. потерей энергии волны.
Задачи: изучить управление взаимодействия света с веществом, дисперсию света, электронную теорию дисперсии, абсорбцию света, рассеяние света, фотоэлектрический эффект с вербальной и математической точек зрения, применение явления в машиностроении.
1. Дисперсия света
1.1 Определение показателей преломления
В 1665-1667 годах в Англии свирепствовала эпидемия чумы, и молодой Исаак Ньютон решил укрыться от неё в своём родном Вулсторпе. Перед отъездом в деревню он приобрёл стеклянные призмы, чтобы «произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов».
Уже в 1 веке новой эры было известно, что при прохождении через прозрачный монокристалл с формой шестиугольной призмы солнечный свет разлагается в цветную полоску - спектр. Ещё раньше, в 4 веке до новой эры, древнегреческий учёный Аристотель выдвинул свою теорию цветов. Он полагал, что основным является солнечный (белый) свет, а все остальные цвета получаются из него добавлением к нему различного количества тёмного света. Такое представление о свете господствовало в науке вплоть до 17 века, несмотря на то, что были проведены многочисленные опыты по разложению солнечного света с помощью стеклянных призм.
Исследуя природу цветов, Ньютон придумал и выполнил целый комплекс различных оптических экспериментов. Некоторые из них без существенных изменений в методике, используются в физических лабораториях до сих пор.
Первый опыт по дисперсии был традиционным. Проделав небольшое отверстие в ставне окна затемнённой комнаты, Ньютон поставил на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, стеклянную призму. На противоположной стене он получил изображение в виде полоски чередующихся цветов. Полученный таким образом спектр солнечного света Ньютон разделил на семь цветов радуги - красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Установление именно семи основных цветов спектра в известной степени произвольно: Ньютон стремился провести аналогию между спектром солнечного света и музыкальным звуковым рядом. Если же рассматривать спектр без подобного предубеждения, то полоса спектра возникающего из-за дисперсии распадается на три главные части - красную, желто-зелёную и сине-фиолетовую. Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными. Вообще же человеческий глаз способен различать в спектре солнечного света до 160 различных цветовых оттенков.
В последующих опытах по дисперсии Ньютону удалось соединить цветные лучи в белый свет.
В результате своих исследований Ньютон, в противоположность Аристотелю, пришёл к выводу, что при смешивании «белизны и черноты никакого цвета не возникает…». Все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете, а стеклянная призма лишь разделяет их, так как различные цвета по-разному преломляются стеклом. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, слабее всего - красные.
Впоследствии учёные установили то факт, что, рассматривая свет как волну, каждому цвету следует сопоставить свою длину волны. Очень важно, что эти длины волн меняются непрерывным образом, соответствуя различным оттенкам каждого цвета.
Изменение показателя преломления среды в зависимости от длины распространяющейся в ней волны называется дисперсией (от латинского глагола «рассеивать»). Показатель преломления обычного стекла близок к 1.5 для всех длин волн видимого света.
Опыты Ньютона и других учёных показывали, что с увеличением длины волны света показатель преломления исследуемых веществ монотонно уменьшается. Однако в 1860 году, измеряя показатель преломления паров йода, французский физик Леру обнаружил, что красные лучи преломляются этим веществом сильнее, чем синие. Это явление он назвал аномальной дисперсией света. В дальнейшем аномальная дисперсия была обнаружена во многих других веществах.
В современной физике как нормальная, так и аномальная дисперсия света объясняются единым образом. Отличие нормальной дисперсии от аномальной заключается в следующем. Нормальная дисперсия происходит с лучами света, длина волны которых далека от области поглощения волн данным веществом. Аномальная дисперсия наблюдается только в области поглощения.
Если внимательно присмотреться к дисперсии света, то можно обнаружить её связь с проникающей способностью электромагнитных излучений. Действительно, чем короче длина волны электромагнитного излучения, тем больше шансов у излучения проникнуть сквозь вещество, в пространстве между атомами. Именно поэтому, рентгеновское и гамма-излучение обладают очень большой проникающей способностью.
Дисперсией света называют зависимость показателя преломления n от длины волны (или от частоты), т.е.
n = n(л).
У прозрачных веществ примерный вид зависимости изображен на следующем рисунке 1.
Рис. 1
Такая зависимость n(л), когда n уменьшается с ростом л называется нормальной дисперсией. При прохождении белого света через призму свет разлагается в дисперсионный (призматический) спектр. Это явление впервые наблюдал И. Ньютон (1672 г.). Схема его опыта изображена на рисунке 2.
Рис. 2
1.2 Электронная теория дисперсии
Из макроскопической электромагнитной теории Максвелла следует, что абсолютный показатель преломления среды
где - диэлектрическая проницаемость среды, - магнитная проницаемость. В оптической области спектра для всех веществ 1, поэтому
Из формулы данной выявляются некоторые противоречия с опытом: величина n, являясь переменной, остается в то же время равной определенной постоянной - . Кроме того, значения n, получаемые из этого выражения, не согласуются с опытными значениями. Трудности объяснения дисперсии света с точки зрения электромагнитной теории Максвелла устраняются электронной теорией Лоренца. В теории Лоренца дисперсия света рассматривается как результат взаимодействия электромагнитных волн с заряженными частицами, входящими в состав вещества и совершающими вынужденные колебания в переменном электромагнитном поле волны.
Применим электронную теорию дисперсии света для однородного диэлектрика, предположив формально, что дисперсия света является следствием зависимости от частоты световых волн. Диэлектрическая проницаемость вещества равна
где ж - диэлектрическая восприимчивость среды, 0 - электрическая постоянная, Р - мгновенное значение поляризованности. Следовательно,
т. е. зависит от Р. В данном случае основное значение имеет электронная поляризация, т. е. вынужденные колебания электронов под действием электрической составляющей поля волны, так как для ориентационной поляризации молекул частота колебаний в световой волне очень высока (v 1015 Гц).
В первом приближении можно считать, что вынужденные колебания совершают только внешние, наиболее слабо связанные с ядром электроны - оптические электроны. Для простоты рассмотрим колебания только одного оптического электрона. Наведенный дипольный момент электрона, совершающего вынужденные колебания, равен р = ех, где е - заряд электрона, х - смещение электрона под действием электрического поля световой волны. Если концентрация атомов в диэлектрике равна n0 то мгновенное значение поляризованности
Следовательно, задача сводится к определению смещения х электрона под действием внешнего поля Е. Поле световой волны будем считать функцией частоты со, т. е. изменяющимся по гармоническому закону: E = E0cost.
Уравнение вынужденных колебаний электрона для простейшего случая (без учета силы сопротивления, обусловливающей поглощение энергии падающей волны) запишется в виде
где F0 = eE0 - амплитудное значение силы, действующей на электрон со стороны поля волны, - собственная частота колебаний электрона, m - масса электрона. Решив уравнение, найдем = n2 в зависимости от констант атома (е, m, 0) и частоты внешнего поля, т. е. решим задачу дисперсии. Решение уравнения можно записать в виде
Если в веществе имеются различные заряды eh совершающие вынужденные колебания с различными собственными частотами еа0|, то
где m1 - масса i-го заряда.
Из выражений и вытекает, что показатель преломления л зависит от частоты внешнего поля, т. е. полученные зависимости действительно подтверждают явление дисперсии света, хотя и при указанных выше допущениях, которые в дальнейшем надо устранить. Из выражений и следует, что в области от = 0 до = 0n2 больше единицы и возрастает с увеличением (нормальная дисперсия); при = 0n2 = ± ; в области от = 0 до = n2 меньше единицы и возрастает от - до 1 (нормальная дисперсия). Перейдя от n2 к n, получим, что график зависимости n от имеет вид, изображенный на рис. 3.
Рис.3
Такое поведение n вблизи 0 - результат допущения об отсутствии сил сопротивления при колебаниях электронов. Если принять в расчет и это обстоятельство, то график функции л (со) вблизи too задается штриховой линией АВ. Область АВ - область аномальной дисперсии (n убывает при возрастании ), остальные участки зависимости n от описывают нормальную дисперсию (n возрастает с возрастанием ).
Российскому физику Д.С. Рождественскому (1876-1940) принадлежит классическая работа по изучению аномальной дисперсии в парах натрия. Он разработал интерференционный метод для очень точного измерения показателя преломления паров и экспериментально показал, что формула
правильно характеризует зависимость n от , а также ввел в нее поправку, учитывающую квантовые свойства света и атомов.
1.3 Поглощение (абсорбция света)
Поглощением (абсорбцией) света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии. В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.
Поглощение света в веществе описывается законом Бугера:
где I0 и I - интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х, - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния вещества и не зависящий от интенсивности света. При х= 1/ интенсивность света I по сравнению с I0 уменьшается в е раз.
Коэффициент поглощения зависит от длины волны (или частоты ) и для различных веществ различен. Например, одноатомные газы и пары металлов (т. е. вещества, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга и их можно считать изолированными) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения и лишь для очень узких спектральных областей (примерно 10-12 - 10-7 м) наблюдаются резкие максимумы (так называемый линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуется полосами поглощения (примерно 10~10-10~7 м).
Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (примерно 10-3 - 10-5 см-1), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда а резко возрастает, и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения, т. е. диэлектрики имеют сплошной спектр поглощения. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.
Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно 103 -105 см-1) и поэтому металлы являются непрозрачными для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощение света.
На рис. 4 представлены типичная зависимость коэффициента поглощения от длины волны света и зависимость показателя преломления n от в области полосы поглощения (рис.4.).
Рис. 4
Из рисунка следует, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия (n убывает с уменьшением ). Однако поглощение вещества должно быть значительным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.
Зависимостью коэффициента поглощения от длины волны объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться черным. Это явление используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического состава (стекла с присадками различных солей, пленки из пластмасс, содержащие красители, растворы красителей и т. д.) пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные. Разнообразие пределов селективного (избирательного) поглощения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем мире.
Явление поглощения широко используется в абсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.
1.4 Рассеяние света
Рассеяние света это - отклонения распространяющегося в среде светового пучка во всевозможных направлениях. Рассеяние света обусловлено неоднородностью среды и взаимодействием света с частицами вещества, при котором меняются пространственное распределение интенсивности, частотный спектр и поляризация света.
Достаточным условием для возникновения такого явления служило бы, по-видимому, наличие электронов, способных колебаться под действием переменного поля световой волны, а такие электроны есть в достаточном количестве во всякой материальной среде. Однако следует помнить, что эти вторичные волны когерентны между собой и, следовательно, при расчете интенсивности света, рассеянного в сторону, надо принять во внимание их взаимную интерференцию. Мы уже упоминали, что в результате интерференции этих волн с первичной приходящей волной возникает результирующая волна, фазовая скорость которой изменена так, что мы получаем объяснение явлений рефракции и дисперсии света. Эффект взаимной интерференции вторичных волн вносит существенное изменение и в явление рассеяния света: волны, идущие в стороны, могут в значительной степени или даже полностью компенсировать друг друга так, что перераспределение, энергии по разным направлениям, т. е. рассеяние света, может быть очень слабым или даже совсем отсутствовать.
Рассуждения Френеля показывают, что в случае однородной среды фронт плоской волны будет перемещаться параллельно самому себе, и лишь нарушение однородности ведет к явлениям дифракции на этих пространственных неоднородностях. Если неоднородности невелики по размерам (малы по сравнению с длиной волны), то дифракционная картина будет характеризоваться довольно равномерным распределением света по всем направлениям. Как уже упоминалось, такую дифракцию на мелких неоднородностях нередко называют диффузией или рассеянием света.
Если неоднородности среды являются грубыми, т. е. близкие между собой малые участки среды, равные по объему, являются источниками вторичных волн заметно различной интенсивности, то и рассеяние света проявляется очень отчетливо. При слабых нарушениях однородности свет, рассеянный в стороны, составляет лишь очень малую долю первичного пучка, и наблюдение его может потребовать специальных условий. При этом опыт показывает, что для явления рассеяния света существенно именно нарушение однородности среды, а не самая способность среды давать вторичные волны.
Различают рассеяние света Рэлея, молекулярное рассеяние света, комбинационное рассеяние света, опалесценцию и др.
1.5 Отражение
Отражение -- физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными оптическими свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения).
В акустике, отражение является причиной эха и используется в гидролокации. В геологии, оно играет важную роль в изучении сейсмических волн. Отражение наблюдается на поверхностных волнах в водоёмах. Отражение наблюдается со многими типами электромагнитных волн, не только для видимого света. Отражение УКВ и радиоволн более высоких частот имеет важное значение для радиопередач и радиолокации. Даже жёсткое рентгеновское излучение и гамма-лучи могут быть отражены на малых углах к поверхности, специально изготовленными зеркалами.
Впервые закон отражения упоминается в «Катоптрике» Евклида, датируемой примерно 200 лет до н. э.
Законы отражения. Формулы Френеля.
Закон отражения света -- устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол падения равен углу отражения» не указывает точное направление отражения луча. Тем не менее, выглядит это следующим образом (рис. 5.):
Рис.5
Этот закон является следствием применения принципа Ферма к отражающей поверхности и, как и все законы геометрической оптики, выводится из волновой оптики. Закон справедлив не только для идеально отражающих поверхностей, но и для границы двух сред, частично отражающей свет. В этом случае, равно как и закон преломления света, он ничего не утверждает об интенсивности отражённого света.
Сдвиг Фёдорова.
Сдвиг Фёдорова -- явление бокового смещения луча света при отражении. Отражённый луч не лежит в одной плоскости с падающим лучом. Явление теоретически предсказано Ф. И. Фёдоровым в 1954 году, позже обнаружено экспериментально.
Механизм отражения.
В классической электродинамике, свет рассматривается как электромагнитная волна, которая описывается уравнениями Максвелла. Световые волны, падающие на диэлектрик вызывают малые колебания диэлектрической поляризации в отдельных атомах, в результате чего каждая частица излучает вторичные волны во всех направлениях (как антенна-диполь). Все эти волны складываются и в соответствии с принципом Гюйгенса -- Френеля дают зеркальное отражение и преломление. При попадании электромагнитной волны на проводящую поверхность возникают колебания электронов (электрический ток), электромагнитное поле которого стремится компенсировать это воздействие, что приводит к практически полному отражению света.
В зависимости от резонансной частоты колебательных контуров в молекулярной структуре вещества, при отражении, излучается волна определённой частоты (определённого цвета). Так предметы приобретают цвет.
Виды отражения.
Отражение света может быть зеркальным (то есть таким, как наблюдается при использовании зеркал) или диффузным (в этом случае при отражении не сохраняется путь лучей от объекта, а только энергетическая составляющая светового потока) в зависимости от природы поверхности.
Зеркальное отражение.
Зеркальное отражение света отличает определённая связь положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности, восстановленную в точке падения; 2) угол отражения равен углу падения j. Интенсивность отражённого света (характеризуемая коэффициентом отражения) зависит от j и поляризации падающего пучка лучей, а также от соотношения показателей преломления n2 и n1 2-й и 1-й сред. Количественно эту зависимость (для отражающей среды -- диэлектрика) выражают формулы Френеля. Из них, в частности, следует, что при падении света по нормали к поверхности коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего пучка и равен
В важном частном случае нормального падения из воздуха или стекла на границу их раздела (показатель преломления воздуха = 1,0; стекла = 1,5) он составляет 4 %.
Полное внутреннее отражение.
Наблюдается для электромагнитных или звуковых волн на границе раздела двух сред, когда волна падает из среды с меньшей скоростью распространения (в случае световых лучей это соответствует бомльшему показателю преломления).
С увеличением угла падения i, угол преломления также возрастает, при этом интенсивность отражённого луча растет, а преломленного -- падает (их сумма равна интенсивности падающего луча). При некотором критическом значении i = ik интенсивность преломленного луча становится равной нулю и происходит полное отражение света. Значение критического угла падения можно найти, положив в законе преломления угол преломления равным 90°: sin ik = n2 / n1.
Диффузное отражение света.
При отражении света от неровной поверхности отраженные лучи расходятся в разные стороны. По этой причине нельзя увидеть свое отражение, глядя на шероховатую (матовую) поверхность. Диффузным отражение становится при неровностях поверхности порядка длины волны и более. Таким образом, одна и та же поверхность может быть матовой, диффузно-отражающей для видимого или ультрафиолетового излучения, но гладкой и зеркально-отражающей для инфракрасного излучения.
2. Фотоэлектрический эффект
2.1 Действие света на вещество
Световая волна, падающая на тело, частично отражается от него, частично проходит насквозь, частично поглощается. В большинстве случаев энергия поглощенной световой волны целиком переходит во внутреннюю энергию вещества, что приводит к нагреванию тела. Нередко, однако, известная часть этой поглощенной энергии вызывает и другие явления. Очень важными действиями света, получившими большие практические применения, являются фотоэлектрический эффект, фотолюминесценция и фотохимические превращения (рис.6.).
Рис.6
Фотоэффект: под действием света металл теряет отрицательные заряды.
Простейший опыт, обнаруживающий фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Хорошо очищенная цинковая пластинка 1 прикреплена к электроскопу 2 и освещается источником 3, богатым ультрафиолетовым излучением (электрическая дуга или кварцевая ртутная лампа). Если электроскоп заряжен отрицательно, то под действием света ртутной лампы он разряжается. Разряд происходит тем быстрее, чем больше освещенность пластинки, т. е. чем больше световой поток, падающий на пластинку. Явление разряда не происходит, если на пути лучей помещено стекло 4, задерживающее ультрафиолетовое излучение. Если электроскоп заряжен положительно, то заряд на нем сохраняется, несмотря на освещение.
Из этих опытов, равно как из других, им подобных, можно прийти к следующим заключениям. Отрицательный заряд теряется с поверхности металла при освещении. Положительный заряд сохраняется на поверхности металла, несмотря на освещение. Этот важный вывод, показывающий, что эффект наблюдается лишь в том случае, когда освещаемая пластинка соединена с отрицательным полюсом батареи, впервые с полной определенностью был установлен русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839--1896). В случае цинковой пластинки существенное значение для явления имеет освещение ультрафиолетовым излучением. Описанный опыт показывает различие в свойствах отрицательных и положительных зарядов, входящих в состав металла. Первые представляют собой электроны, слабо связанные с металлом и могущие легко перемещаться в металле (проводимость) и сравнительно легко удаляться за его пределы (фотоэффект).
Вторые же являются положительными ионами, составляющими решетку этого металла, так что вырывание их есть не что иное, как распыление самого металла. Если металл заряжен отрицательно, то освобожденный электрон удаляется прочь от металла под действием электрического поля, созданного заряженным металлом. В случае положительного заряда электроны, которые всегда имеются в металле, могли бы быть также освобождены светом. Но электрическое поле, имеющееся вокруг положительно заряженного тела, тормозит вылетевшие электроны и стремится вернуть их обратно к телу.
Поэтому, если кинетическая энергия вылетевшего электрона (а следовательно, и его скорость) недостаточно велика, то электроны, несмотря на действие света, не могут покинуть пластинку, и положительный заряд ее остается неизменным. Способность света вызывать отделение электронов от металла является одним из важнейших доказательств электромагнитного характера световой волны. Под действием электрического поля световой волны электрон получает энергию, достаточную для того, чтобы, несмотря на действие сил, удерживающих его, вырваться за пределы металла. Однако ознакомление с законами фотоэффекта показывает, что дело обстоит значительно сложнее.
2.2 Внешний фотоэффект
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.
Фотокатод -- электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмитирующий электроны под действием этого излучения.
Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного излучения называют спектральной характеристикой фотокатода.
Законы внешнего фотоэффекта
1. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения):
и
2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.
3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота н0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.
Теория Фаулера.
Основные закономерности внешнего фотоэффекта для металлов хорошо описываются теорией Фаулера. Согласно ей, после поглощения в металле фотона, его энергия переходит электронам проводимости, в результате чего электронный газ в металле состоит из смеси газов с нормальным распределением Ферми-Дирака и возбужденным (сдвинутым на hн) распределением по энергиям. Плотность фототока определяется формулой Фаулера:
где B1, B2, B3 - постоянные коэффициенты, зависящие от свойств облучаемого металла.
2.3 Внутренний фотоэффект
Внутренний фотоэффект представляет собой процесс образования свободных носителей заряда внутри вещества при воздействии излучения. Взаимодействие излучения с веществом (далее будем рассматривать только полупроводники) может происходить без изменения или с изменением энергии падающего кванта. В этом случае лишь поглощение фотонов представляет интерес. При этом, однако, возможно такое поглощение, при котором энергия фотона переходит в упругие колебания кристаллической решетки, иными словами, в энергию фононов, в результате поглощение излучения вызывает повышение температуры тела.
Этот эффект находит и практическое применение в одной из разновидностей фотоприемников - болометрах, но из-за невысокой чувствительности и низкого быстродействия болометры в оптоэлектронике не применяются. Лишь непосредственное возбуждение атомов, заключающееся в появлении дополнительных носителей заряда (фотоносителей), относится к фотоэффекту. Фотоэффект проявляется в электронных переходах двух типов: собственных (фундаментальных) и примесных (рис.7.).
Собственные переходы (или собственная проводимость) сопровождаются увеличением концентрации свободных носителей обоих знаков - и электронов, и дырок. Математическое условие начала возникновения собственной фотопроводимости записывается так: , где hv - энергия кванта излучения.
При выполнении этого условия вблизи границы поглощения, соответствующей равенству, зависимость коэффициента поглощения от энергии кванта для прямозонных и непрямозонных полупроводников соответственно имеет вид:
,
где А и В - константы;
- энергия фонона, а выбор знака в зависит от того, идет ли процесс с отдачей энергии фонону (плюс) или с получением энергии от него (минус).
Рисунок 7 - Собственные (1) и примесные (2, 3) фотопереходы электронов в полупроводнике (Ел - уровень ловушки)
Рисунок 8 - Спектральные зависимости обратного коэффициента поглощения () некоторых полупроводников
Прямозонные переходы происходят без изменения импульса электрона (), т.е. для их осуществления не требуется участия какого-либо третьего тела, а необходима лишь встреча электрона и дырки; такие переходы представляют собой вероятностные процессы первого порядка. При непрямозонных переходах обязательна передача части импульса фонону (). Это процессы второго порядка, и их вероятность намного меньше (на несколько порядков), чем прямозонных переходов.
Равенство определяет красную границу фотоэффекта
,
где лгр, мкм; Eg, эВ.
Вблизи этой границы ч растет очень быстро, изменяясь, как правило, на 3-4 порядка при увеличении энергии кванта на 0,1 эВ (рисунок 8). При выполнении условия каждый поглощенный фотон порождает одну пару электрон - дырка или, иными словами, квантовая эффективность з=l. Это положение сохраняется при повышении энергии квантов, и лишь при hх> (2...3)Eg квантовая эффективность начинает возрастать. При очень больших энергиях квантов на генерацию пары носителей в среднем затрачивается порция энергии около 3Eg. Таким образом, энергетически наиболее выгоден фотоэффект, вызываемый квантами с hv?Eg; при преобразовании высокоэнергетических квантов (коротковолновое излучение) значительная часть их энергии переходит в тепло.
Край спектра поглощения полупроводника лгр может смещаться в длинноволновую сторону при приложении электрического поля; это явление известно как эффект Келдыша - Франца. Действие электрического поля приводит к наклону энергетических зон в пространстве, так что при энергии квантов hv<Eg электрон может оторваться от атома вследствие туннелирования между состояниями валентной зоны и зоны проводимости, разделенными в кристалле малым расстоянием Дч (рис.9.). Расчет показывает, что ширина запрещенной зоны уменьшается пропорционально квадрату напряженности электрического поля; этот сдвиг для арсенида галлия около 10-15 эВ•В-2•см-2. При реально достижимых электрических полях удается сместить край поглощения на несколько сотых долей электрон-вольта, что по абсолютной величине мало, но может приводить к изменению коэффициента поглощения на три порядка. Эффект Келдыша - Франца используется для создания высокоскоростных модуляторов света.
Примесное поглощение (примесная фотопроводимость) имеет место тогда, когда энергии квантов не хватает для образования электронно-дырочной пары, но ее достаточно, чтобы возбудить примесный атом до состояния, когда образуется свободный электрон и связанная дырка или свободная дырка и связанный электрон (см. рисунок 7).
Рисунок 9 - Энергетическая диаграмма полупроводника при воздействии сильного электрического поля и квантовый переход электрона из валентной зоны в зону проводимости, иллюстрирующий эффект Келдыша-Франца
Первое отличие примесной фотопроводимости от собственной состоит в меньшей энергии поглощаемых квантов; для очень мелких акцепторных и донорных уровней энергия этих квантов может быть в десятки и сотни раз меньше Eg. В этой связи примесная фотопроводимость открывает широкие возможности создания фотоприемников ИК-диапазона (включая дальний ИК- и субмиллиметровый радиодиапазон).
Второе отличие состоит в том, что примесное поглощение ведет к генерации лишь одного типа носителей - электронов или дырок, и третье - в том, что эффективность примесного поглощения значительно меньше, чем собственного: в типичных случаях концентрация примесных атомов значительно меньше (на 6-8 порядков), чем атомов самого полупроводника. Отсюда следует, что для реализации поглощения на примесях необходимо использовать полупроводники большой толщины, а это всегда ведет к нежелательному увеличению длительности релаксационных процессов. Таким образом, примесное поглощение следует использовать лишь в тех случаях, когда не удается подобрать полупроводник с собственным поглощением в той же области спектра. Длинноволновая граница примесного фотоэффекта также определяется формулой , если в ней Еg заменить на энергетический зазор между примесным центром и разрешенной зоной, с которой осуществляется обмен носителями заряда.
Кроме рассмотренных собственного и примесного поглощений имеется еще несколько механизмов взаимодействия квантов излучения с веществом, проявляющихся в фотоэффекте. Прежде всего необходимо отметить поглощение на свободных носителях заряда. Это приводит к перемещению носителя внутри разрешенной зоны на более высокий энергетический уровень, т. е. к так называемому разогреву носителей (например, электронов в зоне проводимости). Если обмен энергией между «горячим» электроном и зоной осуществляется быстро, то эта избыточная энергия переходит в тепло и фактически поглощенные таким образом кванты вклада в фотоэффект не дают. При типичных значениях Еg ? 1эВ поглощение на свободных носителях может стать заметным на фоне собственного поглощения лишь при концентрациях носителей не менее 1019 - 1020 см-3, т. е. в относительно редких случаях. Если каким-то образом обмен энергией между «горячими» электронами и кристаллической решеткой замедлить (например, путем глубокого охлаждения), то это приведет к тому, что их подвижность будет отличной от подвижности обычных электронов проводимости. Это значит, что согласно (рисунок 7) изменится и проводимость образца. Подобный эффект, известный как м- фотопроводимость, может использоваться для создания неизбирательных фотоприемников дальнего ИК-диапазона; в оптоэлектронике реального применения он не находит.
Другой важный механизм - экситонное поглощение, в процессе которого электрон и дырка приходят в возбужденное состояние, но остаются связанными друг с другом силами кулоновского взаимодействия в водородоподобном состоянии, т.е. в форме экситона. Энергия образования экситона примерно на 3-6 мэВ меньше ширины запрещенной зоны, что обусловливает поглощение в области более длинноволновой, чем у собственного поглощения. Кулоновское притяжение между возбуждаемыми носителями заряда влияет на переходы зона - зона и в том случае, когда носители образуются несвязанными. При достаточно больших концентрациях свободных носителей кулоновские поля экранируются на очень малых расстояниях и экситоны не образуются. Несмотря на то, что экситоны могут перемещаться по кристаллу, фотопроводимость при этом не возникает, так как электрон и дырка движутся вместе. Практически экситонное поглощение фотонов проявляется лишь в высокоомных полупроводниках в виде тонкой структуры спектра слева и справа от лгр.
Итак, при поглощении фотонов в полупроводнике (и в твердом теле вообще) имеют место квантовые электронные переходы, часть из которых (собственное и примесное поглощение) приводит к образованию избыточной концентрации свободных носителей заряда, а часть (экситонное, фононное поглощение и поглощение на свободных носителях) в конечном счете приводит лишь к разогреву кристалла.
Возникновение свободных носителей заряда под действием излучения составляет основу различных фотоэлектрических эффектов. В оптоэлектронике находят применение две формы проявления этих эффектов: фотопроводимость - увеличение проводимости материала, появление добавочной составляющей проводимости под действием излучения (наблюдается в однородных достаточно протяженных полупроводниковых образцах) и фотовольтаический эффект, возникающий при воздействии излучения на структуры со встроенным потенциальным барьером (р-n-переход, барьер Шотки и т. д.). Образующиеся носители заряда - электроны и дырки - «растаскиваются» встроенным полем в разные стороны от границы, вследствие чего возникает дополнительная, наведенная фото-ЭДС - высота имеющегося потенциального барьера уменьшается. Если разнотипные области выпрямляющей структуры замкнуты внешней электрической цепью, то под действием фото-ЭДС по этой цепи начинает протекать ток и имеет место эффект возбуждения фототока. Явления возникновения фотопроводимости, фото-ЭДС, фототока образуют «физический фундамент», на котором основано действие большинства фотоприемников. Поглощенное излучение, приводящее к разогреву полупроводника, с точки зрения задач оптоэлектроники теряется бесполезно.
3. Применение в машиностроении
Фотоэффект.
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами.
Фотоэлементы
I - устройство вакуумного фотоэлемента
Применение :
1. Кино: воспроизведение звука
2. Фототелеграф.
3. Фотометрия: для измерения силы света, яркости, освещенности.
4. Управление производственными процессами.
II внутренний фотоэффект используется в фоторезисторах
Фоторезистор - устройство, сопротивление которого зависит от освещенности.
Механизм внутреннего фотоэффекта. При попадании излучения внутрь вещества происходят два явления . Одни кванты излучения, поглощаясь атомами (или ионами), увеличивают кинетическую энергию их теплового движения, поэтому вещество нагревается. Другие кванты излучения, поглощаясь атомами, производят фотоионизацию, в результате чего в веществе образуются дополнительные носители заряда - электроны проводимости и дырки. Их образование ведет к уменьшению электрического сопротивления.
Используется при автоматическом управлении электрическими цепями с помощью световых сигналов и в цепях переменного тока.
При внутреннем фотоэффекте под действием света в фоторезисторе увеличивается число свободных электронов и растёт ток. Фоторезистор состоит из полупроводника, расположенного между двумя сетками (расстояние между электродами маленькое, а площадь большая)
Фоторезистор используется в фотореле. Под действием света увеличивается сила тока в фоторезисторе. Срабатывает электромагнитное реле, которое включает уличное освещение, бакены, различные схемы автоматики и телемеханики. Но фотореле инерционное. Срабатывает через доли секунды, т.к. инерционен фоторезистор.
Фоторезистор очень чувствителен к малейшему изменению света. Его устанавливают в фокус телескопа и измеряют температуру звёзд. Он чувствителен к инфракрасным лучам и используется в инфракрасной технике.
При вентильном фотоэффекте электроны переходят из освещённой области в неосвещённую. В вентильном фотоэлементе под действием света возникает разность потенциалов и он может служить источником тока. Фотоэлемент состоит из металлической пластинки, на которую наносится тонкий слой селена, покрытый сверхтонким прозрачным слоем золота. Чем больше света, тем выше напряжение. Это позволяет использовать фотоэлемент в люксметрах для определения освещенности. В качестве источника тока вентильный фотоэлемент используется в солнечных батареях на космических станциях, а так же как источник питания малой мощности в микрокалькуляторах, часах, в транзисторных маломощных приёмниках.
70 000 фотоэлементов вырабатывают энергию для армии США
На солнечных электростанциях можно использовать разные типы фотоэлементов промышленного назначения, но все они должны удовлетворять комплексу требований:
- высокая надёжность при длительном (25-30 лет) ресурсе работы;
- высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
- приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затраты;
- удобство техобслуживания.
Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов солнечных электростанций считаются кремний и арсенид галлия.
Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.
Дисперсия.
При изготовлении строительных красок общего назначения, клеевых материалов, наполненных красок, штукатурок с синтетическими смолами и шпаклевочных масс, где требуется высокая вязкость и высокое содержание твердого вещества, смешение производится при помощи принудительных мешалок быстрого действия. Изготовление строительных красок производится обычно в высокоскоростных мешалках, например, диссольверах, таким образом, чтобы смесь наполнителя/пигмента была предварительно продиспергирована и смешана со вспомогательными веществами, а дисперсия добавлялась бы только в конце. Отдельно отметим систему стабилизации Акронала 290Д: дисперсия настолько хорошо стабилизирована, что может выдерживать ударные нагрузки в высокоскоростных диспергаторах, бисерных мельницах без разрушения (что говорит само за себя).
дисперсия свет фотоэффект излучение
Заключение
Фотоэффект-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.
Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света. Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.
3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v0(или максимальная длина волны y0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v<v0 , то фотоэффект уже не происходит.
Диспемрсия свемта (разложение света) -- это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты(или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.
Пространственной дисперсией называется зависимость тензора диэлектрической проницаемости среды от волнового вектора. такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации.
Один из самых наглядных примеров дисперсии -- разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе -- оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней.
· Радуга, чьи цвета обусловлены дисперсией, -- один из ключевых образов культуры и искусства.
· Благодаря дисперсии света, можно наблюдать цветную «игру света» на гранях бриллианта и других прозрачных гранёных предметов или материалов.
· В той или иной степени радужные эффекты обнаруживаются достаточно часто при прохождении света через почти любые прозрачные предметы. В искусстве они могут специально усиливаться, подчеркиваться.
· Разложение света в спектр (вследствие дисперсии) при преломлении в призме - довольно распространенная тема в изобразительном искусстве. Например, на обложке альбома Dark Side Of The Moon группы Pink Floyd изображено преломление света в призме с разложением в спектр.
· у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления,
· у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.
Однако в некоторых веществах (например в парах йода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. Говоря строже, аномальная дисперсия широко распространена, например, она наблюдается практически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, однако у паров йода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет.
Библиографический список
1. И.В. Савельев, Курс общей физики. Молекулярная физика и термодинамика/ И.В. Савельев - Наука, 1998. - 505 c.
2. И.В. Савельев, Курс общей физики. Т 1. Механика. Молекулярная физика/ И.В. Савельев - Наука, 1998. - 508с.
3. Г.Е. Пустовалов, Е.В. Талалаева, Общий физический практикум для студентов естественных факультетов. Взаимодействие света с веществом. Изучение и поглощение света/ Г.Е. Пустовалов, Е.В. Талалаева - Издательство Московского университета, 1984. - 88 c.
4. А Г. Чертов, А.А. Воробьев Задачник по физике/ А.Г. Чертов - Высшая школа, 1988. Физматлит, 2002. - 263 c.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Взаимодействие света с веществом. Основные различия в дифракционном и призматическом спектрах. Квантовые свойства излучения. Поглощение и рассеяние света. Законы внешнего фотоэффекта и особенности его применения. Электронная теория дисперсии света.
курсовая работа [537,4 K], добавлен 25.01.2012Определение оптики. Квантовые свойства света и связанные с ними дифракционные явления. Законы распространения световой энергии. Классические законы излучения, распространения и взаимодействия световых волн с веществом. Явления преломления и поглощения.
презентация [1,3 M], добавлен 02.10.2014Теория фотоэффекта. Спектральные характеристики фотокатода. Работа выхода. Распределение электронов в металле. Селективный фотоэффект. Квантомеханическая теория фотоэффекта. Применение. Основные закономерности фотоэффекта.
реферат [217,0 K], добавлен 17.02.2003Понятие дисперсии света. Нормальная и аномальная дисперсии. Классическая теория дисперсии. Зависимость фазовой скорости световых волн от их частоты. Разложение белого света дифракционной решеткой. Различия в дифракционном и призматическом спектрах.
презентация [4,4 M], добавлен 02.03.2016Виды фотоэффектов: внешний, внутренний, фотогальванический и в газообразной среде. Зависимость вольт-амперных характеристик внешнего фотоэффекта от интенсивности и частоты света. Гипотеза М. Планка о квантах и кватновая теория фотоэффекта Эйнштейна.
презентация [1,4 M], добавлен 25.07.2015Упругое и неупругое рассеяние света, теория комбинационного метода. Применение Рамановской спектроскопии для контроля лекарственных, наркотических и токсичных средств. Комбинационное рассеяние света как метод изучения вещества, основные преимущества.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 28.10.2011Электронная, классическая теория частотной дисперсии. Монохроматическая волна, коэффициент затухания, преломления. Экспериментальная установка: гониометр-спектрометр, коллиматор. Измерение угла между гранями с помощью автоколлиматора, методом отражения.
лабораторная работа [111,8 K], добавлен 15.02.2010Переменное электромагнитное поле в однородной среде или вакууме. Формулы Френеля. Угол Брюстера. Уравнения, описывающие распространение электромагнитных волн в плоском оптическом волноводе. Дисперсионные уравнения трехслойного диэлектрического волновода.
курсовая работа [282,5 K], добавлен 21.05.2008Фотон как основная частица электромагнитного излучения, его свойства и схема движения. Характеристика спектров испускания. Взаимодействие фотонов электромагнитного излучения с веществом, поглощение света. Особенности человеческого цветовосприятия.
контрольная работа [740,3 K], добавлен 25.01.2011Законы внешнего фотоэффекта. Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотона. Эффект Комптона. Тормозное рентгеновское излучение. Двойственная природа и давление света. Изучение основного постулата корпускулярной теории электромагнитного излучения.
презентация [2,3 M], добавлен 07.03.2016Применение фотоколориметрии в биологии, медицине, фармации. Природа и основные характеристики оптического излучения, закономерности поглощения света веществом. Понятие об оптической плотности, светопропускании, светопоглощении. Схема фотометра КФК-3.
методичка [374,7 K], добавлен 30.04.2014Первые представления о природе света и теория зрительных лучей Евклида. Анализ законов геометрической оптики методом Гюйгенса и выведение законов отражения и преломления. Физический смысл показателя преломления и явление полного внутреннего отражения.
презентация [493,3 K], добавлен 07.09.2010Электромагнитное поле как особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. Электрическое поле покоящегося заряда. Преобразование Лоренца. Поле релятивистского и нерелятивистского заряда.
контрольная работа [380,0 K], добавлен 23.12.2012Порядок и главные правила измерения величин I0 и Iфон с заданной статистической погрешностью. Определение излучения исследуемого радиоактивного изотопа. Направления и перспективы устранения различных систематических погрешностей в данном эксперименте.
лабораторная работа [149,1 K], добавлен 01.12.2014ООбщие характеристики и классификация нейтронов, механизмы их взаимодействия с веществом: упругое и неупругое рассеяние; ядерные реакции с образованием протона, альфа-частицы. Процесс замедления нейтронов, диффузное отражение; нейтронные волны в средах.
реферат [107,9 K], добавлен 08.03.2012Одно из наиболее ярких научных достижений ХХ столетия - теория метода комбинационного рассеяния. Упругое и комбинационное рассеяние света. Применение Рамановской спектроскопии для контроля лекарственных, наркотических и токсичных средств и веществ.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 08.06.2011Основные законы оптических явлений. Законы прямолинейного распространения, отражения и преломления света, независимости световых пучков. Физические принципы применения лазеров. Физические явления и принципы квантового генератора когерентного света.
презентация [125,6 K], добавлен 18.04.2014Взаимодействие электромагнитных волн с веществом. Отражение и преломление света диэлектриками. Принцип Гюйгенса - Френеля. Рефракция света. Графическое сложение амплитуд вторичных волн. Дифракция плоской световой волны и сферической световой волны.
реферат [168,2 K], добавлен 25.11.2008Особенности физики света и волновых явлений. Анализ некоторых наблюдений человека за свойствами света. Сущность законов геометрической оптики (прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления света), основные светотехнические величины.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 13.10.2012Зависимость показателя преломления от частоты падающего света. Разложение сложного излучения в спектр. Уравнение движения электронов атомов вещества под действием поля световой волны. Скорости ее распространения. Суммарный дипольный момент атомов.
презентация [229,6 K], добавлен 17.01.2014
