Фотоны. Законы фотоэффекта. Химическое действие света

Содержание

Введение

В современной физике и связанных с ней науках большое внимание уделяется изучению квантовой природы света. В начале XX века были открыты фотоны и сформулированы законы фотоэффекта. Это стало началом новой квантовой теории, которая сильно изменила представления о строении вещества и легла в основу многих технологий — от полупроводниковой электроники до солнечной энергетики. Кроме того, свет способен вызывать химические превращения. Это свойство называют химическим действием света. Оно связано с процессами жизнедеятельности, фотографией, фототерапией и созданием новых материалов. Сейчас фотоника и нанотехнологии быстро развиваются, поэтому понимание того, как фотоны взаимодействуют с веществом, становится особенно важным. Этим и объясняется актуальность выбранной темы.

Цель работы — собрать и систематизировать знания о фотонах, законах фотоэффекта и химическом действии света, а также проанализировать их взаимосвязь. Для достижения этой цели нужно решить несколько задач:

1. Рассмотреть корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного излучения и основные свойства фотонов как квантов света.<br>2. Изучить законы фотоэффекта и уравнение Эйнштейна, которое объясняет его механизм.<br>3. Раскрыть сущность химического действия света, описать основные типы фотохимических реакций и их закономерности.<br>4. Рассказать об экспериментальных методах исследования фотоэффекта.<br>5. Показать, где эти явления применяются в современной науке и технике.

Объектом исследования являются квантовые явления, которые возникают при взаимодействии света с веществом. Предметом исследования — фотоны, законы фотоэффекта и химическое действие света как связанные между собой проявления этих явлений. При написании работы использовались методы анализа научной литературы, систематизации и обобщения теоретических данных, а также сравнение экспериментальных результатов из открытых источников.

Выбранная тема важна не только для углубления знаний в области квантовой оптики и фотохимии. Она помогает понять, как эти явления можно применять на практике — в энергетике, электронике и биотехнологиях.

Теоретические основы квантовой оптики

1.1 Корпускулярно-волновой дуализм света и свойства фотонов

Чтобы разобраться в квантовой оптике, нужно понять, что свет устроен сложнее, чем казалось ученым раньше. Долгое время физики спорили, чем является свет: потоком частиц или волной. И только в начале XX века стало ясно, что свет сочетает в себе оба свойства. Это называется корпускулярно-волновым дуализмом. Без этого понятия нельзя объяснить фотоэффект, эффект Комптона, фотохимические реакции и другие важные явления.

Спор о природе света начался еще в XVII веке. Исаак Ньютон считал, что свет — это поток маленьких частиц, которые летят по прямым линиям. Его корпускулярная теория хорошо объясняла отражение и преломление света, но не могла объяснить, почему световые лучи могут усиливать или гасить друг друга. Христиан Гюйгенс, наоборот, предлагал волновую теорию и представлял свет как колебания особой среды — эфира. В начале XIX века Томас Юнг и Огюстен Френель поставили опыты по интерференции и дифракции. Оказалось, что свет ведет себя как волна: две световые волны могут складываться так, что в одних местах усиливают друг друга, а в других гасятся. Позже Джеймс Клерк Максвелл создал электромагнитную теорию, по которой свет — это электромагнитные волны. К концу XIX века волновая теория считалась окончательной.

Но вскоре выяснилось, что некоторые явления волновая теория объяснить не может. Например, тепловое излучение абсолютно черного тела. По формулам Рэлея и Джинса получалось, что при высоких частотах энергия излучения должна бесконечно расти. Это противоречило опытам и закону сохранения энергии. Такое расхождение назвали «ультрафиолетовой катастрофой». Еще одним необъяснимым явлением стал фотоэффект — выбивание электронов из металла светом. Оказалось, что энергия вылетающих электронов зависит от частоты света, а не от его интенсивности. Волновая теория предсказывала обратное, ведь энергия волны связана с её амплитудой, то есть интенсивностью.

Решение нашел Макс Планк в 1900 году. Чтобы объяснить спектр теплового излучения, он предположил, что энергия излучается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. Энергия такого кванта равна E = hν, где h — постоянная Планка, а ν — частота излучения. Это была смелая гипотеза, но она точно описывала эксперименты.

В 1905 году Альберт Эйнштейн пошел дальше. Он заявил, что свет не только испускается порциями, но и распространяется в пространстве такими же порциями — фотонами. Фотон — это частица света, которая не имеет массы покоя и всегда движется со скоростью света. Энергия фотона так же вычисляется по формуле E = hν. Его импульс равен p = h/λ, где λ — длина волны света. Масса покоя фотона равна нулю, потому что для частицы с такой массой выполняется соотношение E = pc.

Корпускулярные свойства фотона подтвердил опыт Артура Комптона в 1923 году. Когда рентгеновские лучи рассеивались на свободных электронах, длина волны излучения увеличивалась. Объяснить это можно было только ударом фотона об электрон, как при столкновении двух шаров. Волновая теория такого эффекта не предсказывала. Также фотоэффект показывал, что один фотон целиком передает свою энергию одному электрону, и именно от частоты зависит энергия электрона.

Однако свет продолжает вести себя и как волна. В опытах с двойной щелью даже одиночные фотоны создают интерференционную картину. Это значит, что фотон нельзя представить как маленький шарик с траекторией. Нильс Бор объяснил это принципом дополнительности: волновое и корпускулярное описание не противоречат друг другу, а дополняют друг друга. Когда мы измеряем энергию и импульс фотона, он ведет себя как частица. Когда наблюдаем распределение света на экране — как волна.

Подводя итог, можно сказать, что фотон — это объект, который нельзя описать только как частицу или только как волну. Он обладает свойствами и того и другого. В квантовой механике говорят, что фотон описывается волновой функцией, а квадрат её модуля задает вероятность найти фотон в данной точке. Свет — это квантовое поле, а его свойства образуют особый квантовый объект — фотон. Теперь, когда основные свойства фотонов ясны, перейдем к законам фотоэффекта.

1.2 Законы фотоэффекта и уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Внешним фотоэффектом называют вырывание электронов с поверхности вещества под действием света. Это явление открыли Герц и Ленард, но самые подробные опыты провел Александр Столетов в конце XIX века. В его установке в вакуумном баллоне находились два электрода. Катод из исследуемого металла освещался светом, а электрическое поле помогало собирать выбитые электроны на аноде. Так ученые измеряли силу фототока и ее зависимость от напряжения и света.

Столетов установил несколько важных закономерностей. Во-первых, при неизменной частоте света сила тока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Иными словами, чем ярче свет, тем больше электронов вылетает с катода и тем больше ток. Во-вторых, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности. Если менять яркость, меняется только число электронов, а их скорость и энергия остаются неизменными. В-третьих, для каждого металла существует минимальная частота, начиная с которой фотоэффект вообще возможен. Она называется красной границей фотоэффекта. При более низкой частоте электроны не вылетают, даже если свет очень яркий.

Волновая теория не могла объяснить эти факты. По ней энергия световой волны должна непрерывно передаваться электронам. Значит, чем дольше светит свет и чем он ярче, тем больше энергии накопит электрон и тем быстрее вылетит. Но опыты показывали: если частота света ниже красной границы, фотоэффекта нет вообще, сколько бы света ни падало. А при достаточной частоте энергия электрона одинакова и при слабом, и при сильном освещении.

Эйнштейн в 1905 году разрешил противоречие. Он предположил, что свет поглощается не непрерывно, а целыми квантами — фотонами. Энергия каждого фотона равна E = hν. Когда фотон попадает в металл, он сталкивается с одним электроном и отдает ему всю свою энергию. Часть этой энергии тратится на выход электрона из металла — это работа выхода Aвых. Остаток переходит в кинетическую энергию электрона. Для электрона с максимальной скоростью уравнение выглядит так:

hν = Aвых + mv²/2.

Здесь m — масса электрона, v — его максимальная скорость. Работа выхода зависит от материала катода и состояния его поверхности.

Это уравнение сразу объясняет второй закон фотоэффекта. Энергия фотона определяется только частотой, поэтому от частоты зависит и максимальная кинетическая энергия электронов. Интенсивность же показывает, сколько фотонов падает на катод за секунду. Больше фотонов — больше выбитых электронов и больше фототок, но энергия каждого электрона не меняется.

Из уравнения Эйнштейна следует и третий закон. Кинетическая энергия электрона не может быть отрицательной, значит, фотоэффект возможен только при условии hν ≥ Aвых. То есть частота должна быть не меньше величины ν_min = Aвых/h. Это и есть красная граница. Если ν меньше, одному фотону не хватает энергии, чтобы совершить работу выхода, поэтому электроны не вылетают.

Правильность уравнения Эйнштейна проверил Роберт Милликен в 1914–1916 годах. Он использовал метод задерживающего напряжения. Если между анодом и катодом подать тормозящее напряжение Uз, то фототок прекратится, когда электрическое поле погасит максимальную кинетическую энергию электронов. Тогда выполняется равенство eUз = mv²/2, где e — заряд электрона. Если подставить это в уравнение Эйнштейна, получится линейная зависимость:

eUз = hν − Aвых.

На графике зависимости Uз от частоты получается прямая. Наклон этой прямой равен h/e, поэтому по нему можно найти постоянную Планка. Милликен точно измерил наклон и получил значение, которое совпало с величиной, найденной Планком из теплового излучения. Это стало решающим доказательством квантовой теории фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна важно тем, что подтверждает корпускулярные свойства света. Свет, который при распространении ведет себя как волна, при поглощении веществом ведет себя как поток частиц — фотонов. Такой же квантовый характер имеет и химическое действие света, о котором пойдет речь дальше.

1.3 Химическое действие света: фотохимические реакции и их закономерности

Химическое действие света — это процессы, в которых свет запускает химические превращения молекул. Его нужно отличать от нагрева. Когда свет просто нагревает вещество, он увеличивает температуру и ускоряет обычную реакцию. При фотохимическом действии квант света поглощается отдельной молекулой и меняет её электронную структуру. В результате молекула становится способной вступать в реакцию. От фотоэффекта это отличается тем, что электрон не вылетает из вещества. Возбуждение остается внутри молекулы и вызывает разрыв или образование связей.

Реакции под действием света называют фотохимическими. В конце XVIII века Якоб Ингенхауз заметил, что зеленые растения выделяют кислород только на свету. Карл Шееле описал почернение хлорида серебра под лучами солнца. Позже Томас Гротгус, Джон Дрейпер, Роберт Бунзен и Генри Роско изучили фотохимические реакции количественно. Они измеряли поглощенный свет и сопоставляли его с количеством прореагировавшего вещества.

С точки зрения квантовой оптики фотохимическая реакция начинается с поглощения фотона. Энергия фотона E = hν должна точно совпасть с разностью энергий между возбужденным и обычным состоянием молекулы. Поэтому химическое действие света зависит прежде всего от частоты. Если энергия кванта слишком мала, молекула не сможет перейти в возбужденное состояние, и свет на неё никак не подействует, даже если будет очень ярким. После поглощения фотона электрон переходит на более высокий энергетический уровень, молекула становится возбужденной. Дальше у неё есть несколько путей.

Возбужденная молекула может вернуться в обычное состояние и испустить свет — это флуоресценция. Или она может потерять энергию в виде тепла — это безызлучательная дезактивация. А может вступить в химическое превращение. Например, распасться на атомы или радикалы — фотодиссоциация. Или изменить свою структуру — фотоизомеризация. Или потерять электрон — фотоионизация. Первичный фотохимический акт происходит очень быстро, за 10⁻¹⁵–10⁻¹² секунды. Практически он не зависит от температуры. Образовавшиеся частицы — радикалы, атомы, ионы — очень активны. Они участвуют во вторичных реакциях, которые идут уже без света. Такие реакции называются темновыми. В них образуются конечные продукты: молекулы соединяются друг с другом, реагируют с исходным веществом или запускают цепные процессы.

Для описания фотохимических реакций есть несколько законов. Закон Гротгуса–Дрейпера гласит: химическое действие вызывает только поглощенный свет. Отраженные или прошедшие лучи на реакцию не влияют. Закон Эйнштейна–Штарка утверждает, что каждая молекула в первичном акте поглощает один фотон, поэтому число возбужденных молекул равно числу поглощенных квантов. Закон Бунзена–Роско говорит, что результат фотохимической реакции зависит от произведения интенсивности света на время облучения, то есть от общей дозы света. Это используют в фотографии, где важно правильно подобрать выдержку.

Эффективность фотохимической реакции оценивают с помощью квантового выхода. Он равен отношению числа прореагировавших молекул к числу поглощенных фотонов. Для первичного процесса этот показатель не больше единицы, потому что один фотон возбуждает одну молекулу. Но в некоторых реакциях один фотон может вызвать целую цепь превращений, и тогда квантовый выход превышает единицу. Так происходит, например, в реакции водорода с хлором: один фотон запускает реакцию тысяч молекул. Если квантовый выход меньше единицы, значит, часть возбужденных молекул потратила энергию на свечение или тепло и не прореагировала.

Скорость фотохимических реакций сильно зависит от длины волны. Реакцию вызывает только тот свет, длина волны которого соответствует переходу электрона в данной молекуле. Зависимость эффективности реакции от длины волны называют спектром действия. Его сравнивают со спектром поглощения, чтобы понять, какое вещество в системе поглощает свет. Интенсивность света определяет, сколько фотонов попадает в вещество за секунду. Пока насыщение не наступило, скорость реакции растет пропорционально интенсивности. Время облучения вместе с интенсивностью дает дозу света, которую можно точно контролировать.

Эти закономерности имеют большое практическое значение. Фотосинтез в растениях запасает солнечную энергию в органических веществах. Фотография основана на том, что свет разлагает галогениды серебра и создает скрытое изображение, которое потом усиливают при проявлении. Фотополимеризацию под действием ультрафиолета применяют в фотолитографии и лазерной стереолитографии. Солнечный свет портит многие полимеры, вызывая их старение, поэтому в материалы добавляют светостабилизаторы, которые поглощают опасное излучение. Озоновый слой в стратосфере тоже защищает жизнь от жесткого ультрафиолета.

Таким образом, фотохимические законы, основанные на квантовой природе света, объясняют, как свет запускает химические реакции. Они подтверждают идею фотонов и помогают управлять процессами с помощью света в науке и технике. Это еще раз показывает, насколько важным было введение квантовых представлений для понимания света и его действия на вещество.

Экспериментальное исследование и практическое применение фотоэффекта и химического действия света

2.1. Экспериментальное изучение законов фотоэффекта

Фотоэффект — это вырывание электронов из вещества под действием света. Его разделяют на три вида. При внешнем фотоэффекте электроны вылетают с поверхности вещества в вакуум. Этот процесс называют ещё фотоэлектронной эмиссией. Внутренний фотоэффект состоит в том, что под действием света меняется проводимость полупроводника или диэлектрика. Происходит это из-за того, что свет рождает в веществе дополнительные носители заряда. Вентильный фотоэффект возникает на границе двух разных материалов, например металла и полупроводника. При поглощении света на таком контакте появляется электродвижущая сила.

Первым начали изучать внешний фотоэффект. Он сразу показал, что свет ведёт себя как поток частиц, и объяснить это явление с точки зрения классической физики было очень трудно. Именно эксперименты с фотоэффектом в итоге подтвердили гипотезу Макса Планка о том, что энергия света передаётся не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. Развил эту гипотезу и применил её к фотоэффекту Альберт Эйнштейн.

Открыл явление внешнего фотоэффекта немецкий физик Генрих Герц в 1887 году. Он проводил опыты с электромагнитными волнами и заметил, что искра между электродами проскакивает легче, если её облучать ультрафиолетовым светом от другой искры. Позже Вильгельм Гальвакс установил, что свет выбивает с поверхности отрицательные заряды. А вот подробные исследования внешнего фотоэффекта впервые выполнил русский физик Александр Григорьевич Столетов в 1888–1890 годах.

Установка Столетова была устроена так. В стеклянной трубке с откачанным воздухом находились два металлических электрода. Один из них, катод, освещали светом. Другой, анод, собирал вылетевшие электроны. Чтобы ультрафиолет попадал внутрь трубки, в ней делали кварцевое окно, потому что обычное стекло ультрафиолет почти не пропускает. Между электродами подавали регулируемое напряжение, а ток измеряли чувствительным гальванометром.

Если на катод падает свет, из него вылетают электроны. Под действием электрического поля они движутся к аноду, так что в цепи возникает фототок. Меняя напряжение, можно снять вольт-амперную характеристику. Когда напряжение на аноде положительное, ток растёт и затем достигает насыщения: все выбитые электроны долетают до анода. Если напряжение сделать отрицательным, оно будет тормозить электроны. При некотором отрицательном напряжении ток полностью исчезает. Это напряжение называется задерживающим. По нему можно судить о максимальной кинетической энергии фотоэлектронов.

Чтобы выяснить, от чего зависят фототок и энергия электронов, провели две серии опытов. В первой меняли только интенсивность света, а частоту оставляли постоянной. Для этого источник отодвигали от катода или применяли светофильтры. Оказалось, что ток насыщения прямо пропорционален интенсивности света. Значит, чем ярче свет, тем больше электронов выбивается из катода. Но при этом задерживающее напряжение, а значит и максимальная энергия электронов, не менялось.

Во второй серии опытов меняли частоту света, а интенсивность поддерживали одинаковой. Здесь обнаружилось, что задерживающее напряжение растёт с увеличением частоты. Это означало, что энергия фотоэлектронов зависит от частоты света. Кроме того, для каждого металла существует минимальная частота, при которой фотоэффект ещё возможен. Ниже этой частоты электроны не вылетают, даже если свет очень яркий. Эту границу назвали красной границей фотоэффекта.

Все эти результаты противоречили классической волновой теории света. Если считать свет волной, то энергия, передаваемая электрону, должна определяться интенсивностью волны. Получается, что более яркий свет должен выбивать электроны с большей энергией. Но опыт показал, что число электронов растёт, а их энергия не изменяется. Также классическая теория предсказывала, что электронам нужно время, чтобы накопить энергию от волны и вылететь. По расчётам, это могло занять несколько десятков секунд. Но в действительности фотоэффект происходит практически мгновенно. Даже при очень слабом освещении электроны появляются быстрее, чем за \(10^{-9}\) секунды. Это тоже никак не согласовывалось с волновыми представлениями.

Разобраться в этих противоречиях помог Эйнштейн. В 1905 году он показал, что свет поглощается порциями — фотонами. Энергия каждого фотона равна \(h\nu\), где \(h\) — постоянная Планка, а \(\nu\) — частота света. Один фотон передаёт свою энергию одному электрону. Часть этой энергии тратится на то, чтобы электрон вышел из металла, — это работа выхода \(A\). Остаток переходит в кинетическую энергию электрона. Поэтому максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона выражается формулой:

\[<br>\frac{mv^2}{2} = h\nu - A,<br>\]

где \(m\) — масса электрона, а \(v\) — его скорость. Это уравнение объясняет все экспериментальные факты. При увеличении интенсивности света растёт только число фотонов и, соответственно, число выбитых электронов. Энергия же каждого электрона определяется только частотой света. Если частота мала и энергия фотона меньше работы выхода, фототок не возникает.

Окончательно уравнение Эйнштейна проверил Роберт Милликен. Его опыты прошли в 1914–1916 годах. Милликен с большой тщательностью измерил задерживающее напряжение для разных частот ультрафиолетового света. Важно, что он напылял слой свежего металла на катод прямо в вакууме. Это позволяло избежать влияния оксидных плёнок и загрязнений, которые сильно меняют работу выхода. График зависимости задерживающего напряжения от частоты получился прямой линией. Тангенс угла наклона этой прямой равен \(h/e\), то есть постоянной Планка, делённой на заряд электрона. По наклону Милликен вычислил постоянную Планка. Значение совпало с тем, которое было получено ранее из законов теплового излучения. Так уравнение Эйнштейна для фотоэффекта получило прямое экспериментальное подтверждение.

Впоследствии выяснилось, что законы фотоэффекта хорошо работают в очень широком диапазоне частот — от ультрафиолета до рентгеновских лучей. Позже были открыты и отклонения: при сверхвысоких интенсивностях лазерного света возможны многофотонные процессы, когда электрон поглощает сразу несколько фотонов. Но для большинства практических применений уравнения Столетова и Эйнштейна остаются надёжной основой.

Итак, эксперименты по внешнему фотоэффекту сыграли огромную роль в становлении квантовой физики. Они наглядно показали, что свет поглощается дискретными порциями — фотонами. Кроме того, результаты этих опытов впоследствии легли в основу создания большого числа электронных приборов.

2.2. Исследование химического действия света (фотография, фотосинтез)

Химическое действие света — это химические реакции, которые начинаются в веществе после поглощения света. Такие реакции называют фотохимическими. От обычных тепловых реакций они отличаются способом передачи энергии. При нагревании молекулы получают энергию при столкновениях, и она распределяется по всем степеням свободы. При поглощении же света энергия кванта попадает в строго определённое место молекулы. Это делает фотохимические реакции очень избирательными: в зависимости от длины волны свет может вызывать разные превращения одного и того же вещества.

Основной закон фотохимии — закон фотохимической эквивалентности. Его сформулировали Эйнштейн и Йозеф Штарк в начале XX века. Согласно этому закону, каждый поглощённый фотон активирует только одну молекулу. Для оценки эффективности реакции используют понятие квантового выхода. Квантовый выход — это отношение числа молекул, вступивших в реакцию, к числу поглощённых фотонов. В простейшем случае он равен единице. Но иногда квантовый выход бывает меньше единицы, если возбуждённая молекула теряет энергию и не реагирует. В цепных реакциях выход, наоборот, может быть намного больше единицы. Пример такой реакции — взаимодействие водорода с хлором на свету.

Интерес к химическому действию света возник ещё в XVIII веке. Иоганн Генрих Шульце обнаружил, что соли серебра темнеют под действием света. Это открытие позже привело к появлению фотографии. Почти тогда же Джозеф Пристли и Ян Ингенхауз независимо показали, что зелёные растения на свету выделяют кислород. Так было положено начало изучению фотосинтеза — самого важного фотохимического процесса на Земле.

Первые количественные исследования фотохимических реакций сделали Роберт Бунзен и Генри Роско в середине XIX века. Они изучали реакцию между водородом и хлором. Бунзен и Роско обнаружили, что быстрее всего эта реакция идёт в сине-фиолетовой области спектра, а в красной части она почти не происходит. Это означало, что свет действует на вещество не одинаково: для каждого вещества важно, какой энергией обладают фотоны. Кроме того, учёные сформулировали закон взаимозаместимости. Он гласит, что суммарное действие света определяется полной поглощённой энергией, равной произведению интенсивности света на время облучения. Другими словами, можно осветить образец слабым светом в течение долгого времени либо ярким светом коротко — результат будет тот же.

Большое внимание исследователи уделяли фотосинтезу. Как известно, этот процесс происходит в хлоропластах растений. Молекулы хлорофилла и других пигментов поглощают свет и передают энергию в реакционные центры. В них происходит первичное разделение зарядов и запускается цепочка окислительно-восстановительных реакций. При этом из воды выделяется кислород, а энергия света запасается в виде АТФ и НАДФН. На следующем этапе, в цикле Кальвина, эти вещества используются для синтеза углеводов из углекислого газа.

Интересный эксперимент поставил Роберт Эмерсон. Он облучал хлоропласты двумя пучками света с длинами волн 680 и 700 нанометров. По отдельности каждый из этих пучков давал небольшой выход кислорода. Но когда хлоропласты освещали одновременно двумя пучками, выход кислорода оказывался больше, чем сумма результатов от раздельного освещения. Это явление получило название эффекта усиления Эмерсона. Оно показало, что для нормальной работы фотосинтеза должны согласованно работать две фотосистемы, которые поглощают свет с разной энергией. Кстати, на одну выделившуюся молекулу кислорода растение тратит не менее восьми фотонов.

Не менее классическим примером химического действия света является фотографический процесс. В фотоплёнке или фотопластинке содержатся микрокристаллы бромида или хлорида серебра. При поглощении фотона в таком кристалле электрон переходит в зону проводимости. Затем этот электрон восстанавливает ион серебра до атома. Несколько таких атомов образуют скрытое изображение. При проявлении эти участки кристалла восстанавливаются гораздо быстрее остальных, поэтому на фотоматериале и появляется изображение. Спектральная чувствительность галогенидов серебра ограничена главным образом ультрафиолетовой и синей областью. Чтобы сделать фотоплёнку чувствительной к другим цветам, на поверхность кристаллов наносят специальные красители-сенсибилизаторы. Они поглощают более длинноволновый свет и передают энергию электронам галогенида серебра.

В наши дни учёные научились изучать фотохимические реакции очень подробно. С помощью фемтосекундных лазерных импульсов можно наблюдать промежуточные состояния молекул, которые живут всего миллиардные доли секунды. Такие исследования показали, что во многих реакциях квантовый выход конечных продуктов меньше, чем выход первичной стадии. Дело в том, что часть энергии возбуждённой молекулы теряется за счёт внутренних переходов или излучения.

Классическая фотография, основанная на солях серебра, почти полностью вытеснена цифровой. Однако фотохимические принципы сохраняют значение в других областях. Например, ведутся работы по искусственному фотосинтезу. Учёные пытаются создать материалы, которые под действием солнечного света расщепляют воду на кислород и водород, чтобы использовать водород как топливо. Также на фотохимии основаны фотокаталитические процессы очистки воды и воздуха.

Исследование химического действия света ещё раз подтвердило, что свет поглощается отдельными квантами. Когда фотон попадает в вещество, его энергия целиком передаётся одной молекуле. Именно поэтому фотохимическая реакция начинается практически мгновенно и не требует накопления энергии. Итак, и фотоэффект, и фотохимические реакции — это проявления одной и той же квантовой природы света.

2.3. Применение фотоэффекта в фотоэлектронных приборах и солнечной энергетике

После того как были открыты законы фотоэффекта, их стали использовать в технике. Все устройства, работающие на фотоэффекте, можно разделить на два класса. Первый класс — приборы с внешним фотоэффектом. В них свет выбивает электроны из катода в вакуум. Второй класс — приборы с внутренним фотоэффектом. В них носители заряда остаются внутри вещества, но изменяют его свойства. Это либо фотопроводники, у которых меняется сопротивление, либо фотогальванические элементы, создающие напряжение. Каждый тип приборов применяют там, где это удобнее всего.

Самый простой прибор с внешним фотоэффектом — вакуумный фотоэлемент. Внутри стеклянного баллона находятся два электрода: катод и анод. Катод покрывают материалом с малой работой выхода, например сурьмяно-цезиевым или кислородно-цезиевым составом. Благодаря этому фотоэлемент чувствителен к видимому свету. Когда свет падает на катод, с его поверхности вылетают электроны. Если между катодом и анодом приложить напряжение, электроны уходят на анод, и в цепи идёт ток. Ток насыщения такого фотоэлемента строго пропорционален световому потоку. Это свойство позволяет использовать фотоэлементы для измерения освещённости, в системах сигнализации, автоматике и звуковоспроизводящей аппаратуре.

Но есть у фотоэлемента и недостаток: он не может регистрировать очень слабый свет. Для этого нужен фотоумножитель. В нём между фотокатодом и анодом размещают несколько промежуточных электродов — динодов. На каждый следующий динод подаётся всё большее положительное напряжение. Первичный электрон, выбитый светом из катода, ускоряется полем и ударяется о первый динод. Из-за вторичной электронной эмиссии он выбивает из динода несколько электронов. Эти электроны летят к следующему диноду, где процесс повторяется. В результате число электронов лавинообразно растёт. При десяти динодах усиление может достигать миллионов и даже сотен миллионов раз. Поэтому фотоумножители способны улавливать свет от одиночных фотонов. Без них невозможна современная астрофизика, ядерная физика, спектроскопия и многие другие области науки.

Среди устройств с внутренним фотоэффектом широко распространены фоторезисторы. Это полупроводниковые элементы, сопротивление которых уменьшается при освещении. Механизм их работы довольно прост: свет с энергией больше ширины запрещённой зоны переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости. При этом в полупроводнике появляются пары электрон — дырка, которые увеличивают проводимость. Чтобы сместить чувствительность в нужную область спектра, в материал добавляют примеси. Фоторезисторы применяются в охранной сигнализации, автоматике, а также для регистрации инфракрасного излучения.

Более сложными приборами являются фотодиоды и фототранзисторы. Их создают на основе p-n-перехода. В области перехода действует электрическое поле, которое разделяет пары электронов и дырок, рождённых светом. Электроны уходят в n-область, а дырки — в p-область. Если фотодиод подключён к внешней цепи, то при освещении в ней появляется ток. Фотодиоды могут работать в двух режимах. В первом случае к p-n-переходу прикладывают обратное напряжение и используют фотодиод как приёмник света. Во втором случае, при отсутствии внешнего источника, сам фотодиод служит источником тока. Быстродействие фотодиодов очень высокое, поэтому они используются в оптоволоконных линиях связи, лазерной технике и оптопарах. Фототранзисторы сочетают чувствительность фотодиода с усилительными свойствами транзистора, поэтому они дают больший сигнал.

Отдельно стоит сказать о солнечных элементах. Это, по сути, большие полупроводниковые фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме. Солнечный свет поглощается в полупроводнике, и в нём появляются электронно-дырочные пары. Электрическое поле p-n-перехода разделяет их, из-за чего на контактах элемента возникает напряжение. Если подключить нагрузку, по цепи потечёт ток. Так энергия света превращается в электрическую энергию.

Основной материал для солнечных элементов — кремний. Монокристаллический кремний в лабораторных условиях показывает КПД до 26 процентов. Поликристаллический кремний несколько менее эффективен, зато он дешевле в производстве. Также применяются тонкоплёночные материалы: теллурид кадмия (CdTe) и соединение Cu(In,Ga)Se₂, которое называют CIGS. Их КПД составляет 21–23 процента, а сами плёнки получаются гибкими и лёгкими. В последние годы большой интерес вызывают перовскитные солнечные элементы. За короткое время их КПД вырос с нескольких процентов до более чем 25 процентов. Перовскиты позволяют менять ширину запрещённой зоны, подбирая её под солнечный спектр.

Однако у любого солнечного элемента с одним p-n-переходом есть предел эффективности. Ещё в 1961 году Шокли и Квайссер рассчитали теоретический максимум КПД такого элемента. Он составляет примерно 33,7 процента. Почему нельзя получить больше? Во-первых, часть света отражается от поверхности элемента. Чтобы этого избежать, наносят просветляющие покрытия и делают поверхность шероховатой. Во-вторых, фотон с энергией больше ширины запрещённой зоны отдаёт только часть своей энергии: избыток превращается в тепло. В-третьих, часть носителей зарядов не доходит до p-n-перехода и рекомбинирует. Все эти потери сильно снижают реальный КПД.

Чтобы преодолеть предел Шокли — Квайссера, разрабатывают каскадные солнечные элементы. В них несколько p-n-переходов из разных полупроводников расположены друг над другом. Каждый переход поглощает свою часть спектра: верхний — высокоэнергетические фотоны, нижний — низкоэнергетические. Такая конструкция позволяет использовать энергию солнечного света значительно полнее. В лабораторных условиях каскадные элементы с концентраторами солнечного света уже достигли КПД более 47 процентов.

Развитие солнечной энергетики сталкивается и с практическими трудностями. Солнце светит не всегда, поэтому нужны системы накопления энергии или резервные источники. Место для солнечных панелей нужно выбирать с учётом местного климата и широты. За последние десятилетия стоимость солнечных модулей сильно упала, но всё ещё остаются вопросы их утилизации и вторичной переработки, ведь солнечные панели могут содержать свинец или кадмий.

Тем не менее применение фотоэффекта в солнечной энергетике — это один из самых наглядных примеров того, как фундаментальное открытие превращается в технологию огромного масштаба. Фотоэлементы, фотоумножители, фотодиоды и солнечные батареи работают на основе законов, открытых Герцем, Столетовым, Эйнштейном и проверенных Милликеном. Таким образом, изучение фотоэффекта принесло не только понимание устройства света, но и множество полезных устройств, без которых современную жизнь уже трудно представить.

Заключение

В ходе работы я разобрался в теме фотонов, законов фотоэффекта и химического действия света. Выяснилось, что эти явления хорошо объясняет только квантовая теория, где свет рассматривается как поток фотонов. Свет имеет двойную природу — он ведёт себя и как волна, и как частица. Сначала это кажется необычным, но именно такой корпускулярно-волновой дуализм стал фундаментом современной физики. Фотон несёт энергию \(E=h\nu\), и это помогает понять, как излучение взаимодействует с веществом.

По итогам работы я могу выделить несколько выводов.

1. Свет проявляет себя по-разному. В явлениях интерференции и дифракции он ведёт себя как волна, а при испускании и поглощении — как поток частиц. Фотон — это частица, у которой есть энергия и импульс, но нет массы покоя. Он всегда движется со скоростью света.

2. Фотоэффект подчиняется законам, которые не удаётся объяснить с помощью классической волновой теории. Уравнение Эйнштейна \(h\nu = A_{вых} + E_{кин}\) описывает внешний фотоэффект, если считать, что свет состоит из фотонов. Оно объясняет красную границу, независимость энергии электронов от интенсивности света и то, что фототок пропорционален освещённости.

3. Химическое действие света вызывается фотохимическими реакциями, которые запускаются поглощением квантов излучения. Согласно закону Эйнштейна — Штарка, сколько фотонов поглотилось, столько молекул должно вступить в реакцию. Квантовый выход может отличаться от единицы из-за вторичных процессов.

4. Опыты Столетова и других учёных подтвердили теоретические положения фотоэффекта и позволили определить постоянную Планка. Эти знания применяются в фотоэлементах, фотоумножителях, солнечных батареях. Химическое действие света лежит в основе фотографии и фотосинтеза.

Итак, тема реферата важна и для науки, и для практики. Законы фотоэффекта и квантовая природа света нужны, чтобы понимать строение вещества и создавать современные технологии — от микроэлектроники до альтернативной энергетики. В перспективе можно изучать многофотонные процессы, улучшать фотокатализаторы и разрабатывать новые материалы для солнечных элементов. Работа помогла мне систематизировать знания и убедиться, что квантовая теория объясняет явления и предсказывает их.

Список использованных источников