Физика атома

Технические устройства, основанные на использовании фотоэффекта

Приборы, принцип действия которых основан на явлении фотоэффекта, называют фотоэлементами. Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, имеют следующее устройство (рис. 1 а). Внутренняя поверхность стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, покрыта светочувствительным слоем К с небольшим прозрачным для света участком для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое кольцо А. От электродов К к А сделаны выводы для подключения фотоэлемента к электрической цепи. В качестве светочувствительного слоя обычно используют напыленные покрытия из щелочных металлов, имеющих малую работу выхода, т.е. чувствительных к видимому свету (изготовляют и фотоэлементы, чувствительные только к ультрафиолетовым лучам).

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.

Рисунок 1.

Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

В качестве примера рассмотрим принцип действия фотоэлектрического реле, срабатывающего при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент (рис. 2 а). Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют полупроводниковый триод (транзистор) Т, и электромагнитного реле, включенного в цепь коллектора транзистора. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока E₁, а на транзистор — от источника тока Е₂. Между базой и эмиттером транзистора включен нагрузочный резистор R.

Рис. 2.

Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор R, идет слабый ток, потенциал базы транзистора выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует.

Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, переход эмиттер — база открывается для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток. Реле срабатывает, и его контакты замыкают исполнительную цепь. Ее функциями могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека, выдвигание преграды в турникете метро, автоматическое включение освещения на улицах. Фотоэлементы применяются в военном деле в самонаводящихся снарядах, для сигнализации и локации невидимыми лучами (инфракрасными).

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке, а также передача движущихся изображений (телевидение).

Комбинация явлений фотоэффекта со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) (рис. 2 б), представляющих собой вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов-эмиттеров. Электроны, вырванные с фотокатода под действием света, попадают на эмиттер Э₁, пройдя ускоряющую разность потенциалов между К к Э₁. Из эмиттера Э₁ выбиваются электроны. Усиленный электронный поток направляется на эмиттер Э₂ и процесс умножения повторяется на всех последующих эмиттерах. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 10⁶, т.е. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок.

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.

На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фотосопротивлений. Простейшее фотосопротивление — это пластинка из диэлектрика, покрытая тонким слоем полупроводника, на поверхности которого укреплены токопроводящие электроды. При освещении пластинки возникает фотопроводимость, и в цепи, где включены фотосопротивления, идет ток. Фотосопротивления применяются в звуковом кино, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике. 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.

Фотоэлементы применяются для сортировки массовых изделий по размерам и окраске. Пучок света падает на фотоэлемент, отразившись от сортируемых изделий, которые непрерывно подаются на конвейер. Окраска изделия или его размер определяют световой поток, попадающий на фотоэлемент, и силу фототока. В зависимости от силы фототока автоматически производится сортировка изделий.

Рисунок 3.

На рисунке 3 изображена схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем батарей, которые устанавливаются на космических кораблях (вентильный фотоэлемент). Две соприкасающиеся друг с другом пластинки, изготовленные из металла и его оксида (полупроводника), покрыты сверху тонким прозрачным слоем металла. Пограничный слой между металлом и его оксидом имеет одностороннюю электропроводность — электроны могут проходить лишь в направлении от оксида металла к металлу. Поток электронов, идущий в этом направлении, создается под действием света без всякого внешнего источника напряжения. Вентильный фотоэлемент непосредственно превращает энергию световой волны в энергию электрического тока, т.е. является источником тока. На этом принципе основано действие солнечных батарей.

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. 1б). 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. ЭДС, возникающую в области p-n перехода под действием света, называют фото ЭДС.

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.

75. Строение атома: планетарная модель атома. Опыты Резерфорда

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества возникло еще в античные времена, но только в XVIII веке трудами А. Лавуазье, М. В. Ломоносова и других ученых была доказана реальность существования атомов. Но вопрос об их внутреннем устройстве даже не возникал, и атомы по-прежнему считались неделимыми частицами. В XIX веке изучение атомистического строения вещества существенно продвинулось вперед. В 1833 году при исследовании явления электролиза М. Фарадей установил, что ток в растворе электролита это упорядоченное движение заряженных частиц – ионов. Фарадей определил минимальный заряд иона, который был назван элементарным электрическим зарядом. Его приближенное значение оказалось равным e = 1,60·10^–19 Кл.

На основании исследований Фарадея можно было сделать вывод о существовании внутри атомов электрических зарядов.

Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д. И. Менделеев, разработавший в 1869 году периодическую систему элементов, в которой впервые был поставлен вопрос о единой природе атомов.

Важным свидетельством сложной структуры атомов явились спектроскопические исследования, которые привели к открытию линейчатых спектров атомов. В начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии в излучении атомов водорода в видимой части спектра. Впоследствии, в 1885 г. И. Бальмером были установлены математические закономерности, связывающие длины волн этих линий.

В 1896 году А. Беккерель обнаружил явление испускания атомами невидимых проникающих излучений, названное радиоактивностью. В последующие годы явление радиоактивности изучалось многими учеными (М. Склодовская-Кюри, П. Кюри, Э. Резерфорд и др.). Было обнаружено, что атомы радиоактивных веществ испускают три вида излучений различной физической природы (альфа-, бета- и гамма-лучи). Альфа-лучи оказались потоком ионов гелия, бета-лучи – потоком электронов, а гамма-лучи – потоком квантов жесткого рентгеновского излучения.

В 1897 году Дж. Томсон открыл электрон и измерил отношение e / m заряда электрона к массе. Опыты Томсона подтвердили вывод о том, что электроны входят в состав атомов.

Таким образом, на основании всех известных к началу XX века экспериментальных фактов можно было сделать вывод о том, что атомы вещества имеют сложное внутреннее строение. Они представляют собой электронейтральные системы, причем носителями отрицательного заряда атомов являются легкие электроны, масса которых составляет лишь малую долю массы атомов. Основная часть массы атомов связана с положительным зарядом.

Перед наукой встал вопрос о внутреннем строении атомов.

Строение атома: планетарная модель атома. Опыты Резерфорда

Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных (1903 г.) принадлежит Дж. Томсону. Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом, примерно равным 10^–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 1).

Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.

Рисунок 1. Модель атома Дж. Томсона

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α - частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α - частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α - частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 10⁷ м/с, но все же значительно меньше скорости света).

α - частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α - частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α - частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Схема опыта Резерфорда представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Схема опыта Резерфорда по рассеянию α - частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α - частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α - частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α - частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α - частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Его представления о строении атома находились в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α - частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара.

Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α - частицу, по закону Кулона возросла бы в n² раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α - частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 3 иллюстрирует рассеяние α - частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.

Рисунок 3. Рассеяние α - частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b)

Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10^–14–10^–15 м.

Это ядро занимает только 10^–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 10¹⁵ г/см³. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома.

Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не был исключением и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только в 1911 г. через два года после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны (рис. 4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Рисунок 4. Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом вперед в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α - частиц, однако оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10^–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 1592; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!