Тепловое излучение. Фотоэффект

Тепловое излучение. Фотоэффект

Тепловое излучение – излучение нагретых тел, совершающееся за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества. Тепловое излучение свойственно всем телам и является электромагнитным излучением, т. е. нагретые тела излучают электромагнитные волны. Энергия этого излучения распределяется по длинам волн. Такое распределение называется спектром излучения тела.

Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, энергия распределяется по всем длинам волн.

При высоких температурах тело излучает короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, при низких температурах тело излучает преимущественно длинные волны (инфракрасные).

Распределение энергии излучения по длинам волн характеризуется спектральной плотностью интенсивности излучения r(л, T) =dI /dл, где dI – интенсивность излучения, приходящаяся на интервал длин волн dл. Для разных тел функция r(л, T) различна.

Поэтому в качестве некоего эталона физики-теоретики рассматривают так называемое абсолютно черное тело, которое поглощает все падающее на него излучение. Для абсолютно черного тела, основываясь на определенных законах и концепциях, физики-теоретики выводят функцию r(л, T). Если теория правильная, она согласуется с экспериментальными результатами.

Абсолютно черных тел в природе не существует, но есть тела, спектр излучения которых очень похож на спектр излучения абсолютно черного тела, например наше Солнце. Физики-экспериментаторы используют в своих экспериментах модели абсолютно черного тела, например полость с маленьким отверстием. Свет, попадая в полость через отверстие, поглощается стенками полости и наружу не выходит, т. е. площадь отверстия является абсолютно черной, отверстие светится только светом, который испускается нагретыми стенками полости. Заметим, что в состоянии теплового равновесия абсолютно черное тело сильнее поглощает, а, значит, и сильнее излучает, чем любое другое нагретое тело с такой же температурой.

На рис. 17.1 представлена зависимость r(л) при температуре Т=1600К. Кружочками отмечены значения r, полученные экспериментально, пунктирной линией (формула Рэлея-Джинса) представлена зависимость r(л), полученная на основании классических законов и волновых свойств излучения. Формула Рэлея-Джинса согласуется с экспериментальными данными только в области достаточно длинных волн. В области коротких волн спектральная плотность интенсивности излучения r(л) стремится к бесконечности.

Если бы тела излучали в соответствии с формулой Рэлея-Джинса, то они мгновенно остывали бы до абсолютного нуля температуры, излучая огромную энергию в ультрафиолетовом диапазоне. Физики говорят, наступила бы ультрафиолетовая катастрофа.

Таким образом, безупречный с точки зрения классической физики вывод приводит к формуле, которая находится в резком противоречии с опытом. Стало ясно, что решить задачу о спектральном распределении излучения абсолютно черного тела в рамках существующих теорий невозможно.

Эта задача была успешно решена М. Планком на основе новой идеи, чуждой классической физике. Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. По теории Планка, энергия кванта прямо пропорциональна частоте света:

где h – так называемая постоянная Планка, h = 6,626·10–34 Дж·с; - частота света; - длина световой волны; с – скорость сета в вакууме.

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта — явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых, а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Фотоэффект обнаружен (1887 г.) Г. Герцем, наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым . При изучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна освещенности катода).

Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой n, а именно линейно возрастает с увеличением частоты. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т. е. минимальная частота n0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает. Фотоэффект безынерционен. Явление фотоэффекта полностью необъяснимо с позиций волновой теории света.

А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет частотой n не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых e0=hn. Эти кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии mv2max/2. По закону сохранения энергии,

Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Наиболее полно корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона.

Американский физик А. Комптон, исследуя в 1923 г. рассеяние монохроматического рентгеновского излучения веществами с легкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также излучение более длинных волн. Опыты показали, что разность Dl=l' - l не зависит от длины волны l падающего излучения и природы рассеивающего вещества, а определяется только величиной угла рассеяния q:

Dl =l'-l= Л(1- соsq) = 2Лsin2(q/2),

излучения, Л — комптоновская длина волны

Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и g-излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны.

Объяснение эффекта Комптона возможно на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, что излучение представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона — результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества (для легких атомов электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными). В процессе этого столкновения фотон передает электрону часть своих энергии и импульса в соответствии с законами их сохранения.

Рассмотрим упругое столкновение двух частиц — налетающего фотона, обладающего импульсом pg=hn/c и энергией Eg=hn, с покоящимся свободным электроном (энергия покоя W0 = m0c2; m0—масса покоя электрона). Фотон, столкнувшись с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление движения (рассеивается). Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны рассеянного излучения. Пусть импульс и энергия рассеянного фотона равны p'g=hn'/c и e'g=hn'. Электрон, ранее покоившийся, приобретает импульс pe=mv, энергию W=mc2 и приходит в движение — испытывает отдачу. При каждом таком столкновении выполняются законы сохранения энергии и импульса.

Наличие в составе рассеянного излучения «несмещенной» линии (излучения первоначальной длины волны) можно объяснить следующим образом. При рассмотрении механизма рассеяния предполагалось, что фотон соударяется лишь со свободным электроном. Однако если электрон сильно связан с атомом, как это имеет место для внутренних электронов (особенно в тяжелых атомах), то фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Так как масса атома по сравнению с массой электрона очень велика, то атому передается лишь ничтожная часть энергии фотона. Поэтому в данном случае длина волны l' рассеянного излучения практически не будет отличаться от длины волны l падающего излучения.

Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий.

Рассмотренные явления внешнего фотоэффекта и эффекта Комптона служат доказательством квантовых (корпускулярных) представлений о свете как о потоке фотонов. С другой стороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, убедительно подтверждают волновую (электромагнитную) природу света. Давление и преломление света объясняются как волновой, так и квантовой теориями.

Таким образом, электромагнитное излучение обнаруживает удивительное единство, казалось бы, взаимоисключающих свойств — непрерывных (волны) и дискретных (фотоны), которые взаимно дополняют друг друга, то есть свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом.

Свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, обнаруживает определенные закономерности в их проявлении. Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются квантовые свойства света (с этим связано, например, существование «красной границы» фотоэффекта). Наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются волновые свойства света (например, волновые свойства (дифракция) рентгеновского излучения обнаружены лишь после применения в качестве дифракционной решетки кристаллов).

ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА

Явление фотоэффекта широко используется в работе многих механизмов и устройств на производстве, а также окружающих нас в повседневной жизни.

Чтобы реагировать на свет они содержат фотоэлементы – электронные приборы, в которых энергия падающего света преобразуется в ЭДС (фотоЭДС) или электрический ток (фототок).

Вакуумный фотоэлемент представляет собой электровакуумный прибор, внутри которого находятся два электрода – анод А и катод К (рис. 32а). Свет, падающий на катод, вырывает из его поверхности электроны, что приводит к увеличению тока, протекающего в цепи и напряжения на резисторе R. Изменение тока, текущего через фотоэлемент при его освещении можно использовать для включения и выключения различных устройств. Чтобы увеличить чувствительность фотоэлемента, поверхность его катода покрывают веществом с малой работой выхода.

Поглощение электромагнитного излучения в полупроводниках приводит к росту их электрической проводимости. Это явление, называемое внутренним фотоэффектом, используется при изготовлении фоторезисторов, сопротивление которых может уменьшаться в сотни и тысячи раз при их освещении. Основной областью применения фоторезисторов является автоматика, где они в некоторых случаях с успехом заменяют вакуумные фотоэлементы. Фоторезисторы незаменимы в автоматах для сортировки, счета и контроля качества готовой продукции. Они используются в полиграфической промышленности при обнаружении обрывов бумажной ленты и контроле за количеством листов. Фоторезисторы применяются для измерения высоких температур, для регулировки температуры в различных технологических процессах. Контроль за задымленностью различных объектов, автоматические выключатели уличного освещения и турникеты в метрополитене - вот далеко не полный перечень областей применения фоторезисторов.

Солнечная батарея (или батарея солнечных элементов) является полупроводниковым источником тока, непосредственно преобразующим энергию солнечного излучения в электрическую. Действие солнечных элементов основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта в области p-n перехода двух полупроводников (рис. 32б). Под действием света по обе стороны от p-n перехода растёт концентрация электронов и дырок. При этом электрическое поле в области p-n перехода перемещает электроны из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа, а дырки – в противоположном направлении. В результате, увеличивается разность потенциалов между этими полупроводниками, причём полупроводник p-типа становится ещё более электроположительным, и в цепи появляется ток (см. рис. 32б). ЭДС, возникающую в области p-n перехода под действием света, называют фотоЭДС. 

Чаще всего материалом для солнечных элементов служит Si или GaAs. Солнечные батареи обычно выполняют в виде плоской панели из солнечных элементов, защищённых прозрачными покрытиями. КПД солнечных элементов может достигать 20%. Как известно, плотность потока солнечного излучения в безоблачный день вблизи экватора составляет около 1000 Вт/м2. Поэтому мощность тока, которую можно получить с помощью солнечной батареи, площадь панелей которой равна 1 м2, не превышает 200 Вт. Чтобы солнечная батарея имела мощность, достаточную для снабжения электроэнергией семьи из нескольких человек, площадь её панелей должна составлять 10-20 м2. Солнечные батареи находят своё применение не только на Земле, но и в космосе, где служат основным источником энергии для аппаратуры и системы жизнеобеспечения спутников и межпланетных кораблей.

Вопросы для повторения:

Дайте определение фотоэлемента Как работает вакуумный фотоэлемент? Дайте определения фотоэффекта и фоторезистора? Как работают солнечные элементы, и где их применяют?