Изучение работы фотоэлемента

Цель работы. Изучить явление фотоэффекта, устройство, принципы работы и применение фотоэлементов в медицине. Научить студентов работать с люксметром.

Актуальность. Фотоэлементы получили широкое применение в диагностике. С помощью фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) производятся измерения малых лучистых потоков, что используется при регистрации сверхслабых биолюминесценций крови, мочи и некоторых тканей, а также позволяет выявить патологические процессы на ранних стадиях заболевания. На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП), с помощью которого невидимое инфракрасное изображение преобразуется в видимое. Это используется в термографии и осуществляется с помощью приборов, получивших название тепловизоров. ЭОП применяются для усиления яркости рентгеновского изображения, и это позволяет уменьшить дозу облучения человека. В фотоэлектроколориметрах (ФЭК) используется также фотоэлемент. С помощью этих приборов решается ряд важных задач, одной из которых является изучение физико-химического состояния биомолекул. Зависимость силы фототока от освещенности позволяет использовать фотоэлементы как люксметры, чем и обусловлено их применение в санитарно-гигиенической практике.

Приборы и принадлежности: люксметр, линейка, электролампы.

Теоретическая часть

Фотоэффектом называется явление взаимодействия света с веществом, сопровождаемое эмиссией электронов (внешний фотоэффект), либо изменением электропроводимости вещества или возникновением электродвижущей силы (внутренний фотоэффект).

Внешний и внутренний фотоэффекты. Внешний фотоэффект наблюдается с поверхностей металлов. В этом случае его можно представить в виде трех процессов:

1) поглощение фотона электроном, в результате чего увеличивается кинетическая энергия электрона;

2) движение электрона к поверхности металла;

3) выход электрона из металла.

Этот процесс энергетически описывается уравнением Эйнштейна:

где h – постоянная Планка, h=6,6´10^-34 Дж.с; n - частота фотона; hn - энергия фотона; А_в – работа выхода электрона; m – масса электрона; – скорость электрона; - кинетическая энергия электрона.

Внешний фотоэффект наблюдается также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах.

Внутренний фотоэффект происходит при освещении полупроводников и диэлектриков, если энергии фотона достаточно, чтобы вызвать переход электрона из валентной зоны в зону проводимости.

 

Законы фотоэффекта.

Первый закон. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна величине светового потока, падающего на вещество:

,

где: I_H – фототок насыщения;

Ф – световой поток;

k – коэффициент чувствительности к фотоэффекту.

Фототоку насыщения соответствует такой ток, в образовании которого участвуют все фотоэлектроны, выбитые из фотоэлемента при облучении его светом.

Существуют интегральная и спектральная чувствительность фотоэффекта. Интегральная чувствительность характеризуется способностью фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока полихроматического света. Спектральная чувствительность определяет силу фототока при воздействии монохроматического излучения ().

Графически первый закон представляет собой зависимость величины фотоэффекта I от напряжения U:

 

Рис. 1. График зависимости фототока от напряжения между электродами.

Второй закон. Кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего света и не зависит от освещения.

 

.

 

Третий закон (закон о красной границе фотоэффекта). Для ввода формул, выражающих третий закон, возьмем предельный случай фотоэффекта, то есть, приравняем кинетическую энергию к нулю . Тогда из уравнения Эйнштейна получим:

.

Отсюда или в общем случае .