 |
Применение фотоэффекта в медицине
|
|
|
|
Ученика 11класса «а»
Лизуна Виктора
ПЛАН
Определение фотоэффекта и их виды ……………..………………………………….3
Уравнение Эйнштейна…………………………………………………………………..5
Применение фотоэффекта в медицине…………………………………………………7
Список литературы……………………………………………………………………….9
Определение фотоэффекта
Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют группу
явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом и
заключающихся либо в эмиссии электронов (внешний фотоэф-
фект), либо в изменении электропроводимости вещества или
возникновении электродвижущей силы (внутренний фотоэф-
фект).
В фотоэффекте проявляются корпускулярные свойства света.
В 1888 Гальвакс показал, что при облучении ультрафиолетовым светом электрически нейтральной металлической пластинки последняя приобретает положительный заряд. В этом же году Столетев создал первый фотоэлемент и применил его на практике, потом он установил прямую пропорциональность силы фототока интенсивности падающего света. В 1899 Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны.
Виды фотоэффектов
Выделяют три основных вида фотоэффектов: внутренний, внешний и вентильный.
Внешний фотоэффект наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах.
Внешний фотоэффект в металле можно представить состоя-
щим из трех процессов: поглощение фотона электроном прово-
димости, в результате чего увеличивается кинетическая энергия
электрона; движение электрона к поверхности тела; выход элек-
трона из металла. Этот процесс энергетически описывают уравнением Эйнштейна (см. ниже).
|
|
|
Если, освещая металл монохроматическим светом, уменьшать частоту излучения (увеличивать длину волны), то, начиная с
некоторого ее значения, называемого красной границей; фото
эффект прекратится.
Экспериментальные исследования показали, что термин «красная граница» не означает, что грани-
ца фотоэффекта обязательно попадает в область красного цвета.
Внутренний фотоэффект наблюдается при освещении полу-
проводников и диэлектриков, если энергия фотона достаточна
для, переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости,
В примесных полупроводниках фотоэффект обнаруживается так-
же в том случае, если энергия электрона достаточна для пере-
броса электронов в зону проводимости с донорных примесных
уровней или из валентной зоны на акцепторные примесные уров-
ни. Так в полупроводниках и диэлектриках возникает фотоэлектропроводимость.
Интересная разновидность внутреннего фотоэффекта наблю-
дается вконтакте электронного и дырочного полупроводников.
В этом случае под действием света возникают электроны и дыр-
ки, которые разделяются электрическим полем р-n-перехода;
электроны перемещаются в полупроводник типа n, а дырки -
в полупроводник типа р, При этом между дырочным и электрон-
ным полупроводниками изменяется контактная разность потен-
циалов по сравнению с равновесной, т. е. возникает фотоэлектро-
движущая сила. Такую форму внутреннего фотоэффекта назы-
вают вентильным фотоэффектом.
Он может быть использован для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения в энергию элек-
трического тока.
Уравнение Эйнштейна
Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света.
Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.
|
|
|
3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v 0 (или максимальная длина волны л 0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v < v 0, то фотоэффект уже не происходит.
Первый закон объяснён с позиции электромагнитной теории света: чем больше интенсивность световой волны, тем большему количеству электронов будет передана достаточная для вылета из металла энергия. Другие законы фотоэффекта противоречат этой теории.
Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hv каждый (h -постоянная Планка). При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл:
hv=A+mv2 / 2,
где mv2 –максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла. Она может быть определена:
mv2/2 = eU 3 .
U 3 - задерживающее напряжение.
В теории Эйнштейна законы фотоэффекта объясняются следующим образом:
Интенсивность света пропорциональна числу фотонов в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла.
Второй закон следует из уравнения: mv 2 /2=hv-A.
Из этого же уравнения следует, что фотоэффект возможен лишь в том случае, когда энергия поглощённого фотона превышает работу выхода электрона из металла. Т. е. частота света при этом должна превышать некоторое определённое для каждого вещества значение, равное A>h. Эта минимальная частота определяет красную границу фотоэффекта:
v o=A/h yo=c/ v o=ch/A.
При меньшей частоте света энергии фотона не хватает для совершения электроном работы выхода, и поэтому фотоэффект отсутствует.
Квантовая теория Эйнштейна позволила объяснить и ещё одну закономерность, установленную Столетовым. В 1888 Столетов заметил, что фототок появляется почти одновременно с освещением катода фотоэлемента. По классической волновой теории электрону в поле световой электромагнитной волны требуется время для накопления необходимой для вылета энергии, и поэтому фотоэффект должен протекать с запаздыванием по крайне мере на несколько секунд. По квантовой теории же, когда фотон поглощается электроном, то вся энергия фотона переходит к электрону и никакого времени для накопления энергии не требуется.
|
|
|
С изобретением лазеров появилась возможность экспериментировать с очень интенсивными пучками света. Применяя сверхкороткие импульсы лазерного излучения, удалось наблюдать многофотонные процессы, когда электрон, прежде чем покинуть катод, претерпевал столкновение не с одним, а с несколькими фотонами. В этом случае уравнение фотоэффекта записывается: Nhv=A+mv 2 /2, чему соответствует красная граница.
Применение фотоэффекта в медицине
Электровакуумные или полупроводниковые приборы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, называют фотоэлектронными. Рассмотрим устройство некоторых из них.
Наиболее распространенным фотоэлектронным прибором является фотоэлемент. Фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, состоит из источника электронов — фотокатода К, на который попадает свет, и анода А.
Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотокатод, представляющий собой фоточувствительный слой, может быть непосредственно нанесен на часть внутренней поверхности баллона. На рисунке дана схема включения фотокатода в цепь.
Рис. 1.
Для вакуумных фотоэлементов рабочим режимом является режим насыщения, которому соответствуют горизонтальные участки ВАХ, полученных при разных значениях светового потока (рис. 2).
Рис. 2.
Основной параметр фотоэлемента — его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения порядка 100 мкА/лм.
Для увеличения силы фототока применяют также газонаполненные фотоэлементы, в которых возникает несамостоятельный темный разряд в инертном
газе, и вторичную электронную эмиссию — испускание электронов, происходящее в результате бомбардировки поверхности металла пучком первичных электронов. Последнее находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).
|
|
|
Схема ФЭУ приведена на рис. 3. Падающие на фотокатод К фотоны эмиттируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде) Э1. В результате вторичной электронной эмиссии с этого динода вылетает больше электронов, чем падает на него, т. е. происходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнению с первичным фототоком.
Рис. 3.
ФЭУ применяют главным образом для измерения малых лучистых потоков, в частности ими регистрируют сверхслабую биолюминесценцию, что важно при некоторых биофизических исследованиях.
На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений. Схема простейшего ЭОП приведена на рис. 4. Световое изображение объекта 1, проецированное на полупрозрачный фотокатод К, преобразуется в
электронное изображение 2. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов Э электроны попадают на люминесцентный экран Е. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое 3.
Рис. 4.
|
|
|
