Лабораторная работа №10
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; Ав – 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: IH – 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 
.
Для каждого вещества существует предельная частота 
падающего света, меньше которой фотоэффект не вызывается.
Выразим предельную частоту через длину волны 
, причем скорость света в вакууме обозначим через С:
, тогда 
.
Отсюда 
или в общем виде 
Для каждого вещества существует предельная длина световой волны , больше которой фотоэффект не вызывается.
Закон о красной границе фотоэффекта не выполняется для лазерного излучения ввиду большой плотности фотонов.
Вакуумный фотоэлемент
Рис.2. Схема работы вакуумного фотоэлемента.
1 – катод; 4 – световой поток;
2 – анод; 5 – источник энергии;
3 – цоколь; 6 – миллиамперметр.
Фотокатод представляет собой фоточувствительный слой, нанесенный на внутреннюю поверхность баллона. Работа вакуумного элемента основана на внешнем фотоэффекте. Он состоит из источника электронов – фотокатода (1) и анода (2) (см.рис.2), помещенных в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух (Р=10-7 мм. рт. ст.). Свет (4), падая на катод и поглощаясь им, вызывает фотоэффект в виде эмиссии фотоэлектронов, которые под воздействием электрического поля, создаваемого источником (5), устремляются к аноду (2). Цепь замыкается, возникает фототок, величина которого регистрируется миллиамперметром (6).
Селеновый фотоэлемент
Селеновый фотоэлемент представляет собой слой селена, на который напылением наносится тонкий слой серебра, а снизу находится стальная или железная пластинка (рис.3).
Рис.3. Устройство селенового фотоэлемента.
Для чистого селена характерна дырочная проводимость (рис. 4).
Рис. 4 Рис. 5 Рис. 6
Процессы, происходящие в селеновом фотоэлементе при действии света.
Свет, падая на прозрачный слой серебра (Ag), частично вступает во взаимодействие с ним, выбивая из него фотоэлектроны, а частично проходит в слой селена (Se), который, поглощая свет, увеличивает свою внутреннюю энергию и нагревается. В результате нагрева селен меняет свою модификацию на кристаллическую, и в этой части селена появляются свободные электроны (рис. 5). Возникает п-р переход (запирающий слой), открытый для дырок и закрытый для электронов. Дырки переходят в нижний слой селена, электроны остаются в его верхнем слое (рис. 6), в результате серебряная и железная пластинки заряжаются разноименно. Таким образом возникает разность потенциалов, и гальванометр регистрирует ее величину.
Селеновый фотоэлемент, медно-закисный, германиевый, сернисто-таллиевый относятся к вентильным фотоэлементам, большим преимуществом которых является то, что они работают без источника тока.