Фотоефект та його застосування в медицині
МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я УКРАЇНИ
ЛУГАНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра мед. кібернетики, біофізики та мед. апаратури
Реферат на тему:
«Фотоефект та його застосування в медицині»
Виконавець: студент I курсу 28 групи лікувального факультету
Визначення фотоефекту. 6
Види фотоефектів. 6
Рівняння Ейнштейна. 8
Застосування фотоефекту у медицині. 10
Список використаних джерел. 16
У 1887 р. німецький фізик Генріх Герц експериментував із розрядником для випромінювання електромагнітних хвиль – парою металевих куль; при додатку різниці потенціалів між ними проскакувала іскра. Коли він висвітлював одну з куль ультрафіолетовими променями, розряд посилювався. Таким чином, був виявленийзовнішній фотоефект.
У 1888 р. Вільгельм Гальвакс встановив, що опромінена ультрафіолетовим світлом металева пластинка заряджається позитивно. Так сталося друге відкриття фотоефекту. Третім, не знаючи про досліди Герца та Гальвакса, його спостерігав того ж року італієць Аугусто Риги. Він з'ясував, що фотоефект можливий і в металах, і діелектриках. Олександр Григорович Столєтов був четвертим ученим, незалежно від інших фотоефект. Він два роки досліджував нове явище та вивів його основні закономірності. Виявилося, що сила фотоструму, по-перше, прямо пропорційна інтенсивності падаючого світла, а по-друге, при фіксованій інтенсивності опромінення спочатку зростає в міру підвищення різниці потенціалів, але досягнувши певного значення (струм насичення), вже не збільшується.
У 1899 р. німець Філіп Ленард та англієць ДжозефТомсон довели, що світло, що падає на металеву поверхню, вибиває з неї електрони, рух яких і призводить до появи фотоструму. Однак зрозуміти природу фотоефекту за допомогою класичної електродинаміки так і не вдалося. Незрозумілим залишалося, чому фотострум виникав лише тоді, коли частота падаючого світла перевищувала строго певну для кожного металу величину.
Тільки 1905 р. Ейнштейн перетворив цю загадку на цілком прозору картину. Він припустив, що електромагнітне випромінювання не просто випускається порціями - воно і поширюється у просторі, і поглинається речовиною також у вигляді порцій - світлових квантів (фотонів). Тому для виникнення фотоефекту важлива аж ніяк не інтенсивність падаючого світлового пучка. Головне, чи вистачає окремому світловому кванту енергії, щоб вибити електрон із речовини. Мінімальну енергію, необхідну цього, називаютьроботою виходу А.У результаті Ейнштейн вивів рівняння фотоефекту.
Зрозуміло, що фотоефект може викликати лише світлова хвиля досить високої частоти, а сила фотоструму пропорційна інтенсивності поглиненого світла, тобто числу фотонів, здатних вибити електрони з речовини. У 1907 р. Ейнштейн зробив ще одне уточнення квантової гіпотези. Чому тіло випромінює світло лише порціями? А тому Ейнштейн відповів, що атоми мають лише дискретний набір значень енергії. Таким чином, теорія випромінювання та поглинання набула закінченого вигляду.
У 1922 р. американець Артур Комптон виявив, що довжина хвилі рентгенівського випромінювання змінюється під час розсіювання на електронах речовини. Але, за класичною електродинамікою, довжина світлової хвилі при розсіянні не може змінюватися! Тоді Комптон здійснив розрахунок, припустивши, що на електронах розсіюються не хвилі, а частинки(Фотони). Результат збігся з експериментальним. Це стало прямим доказом реальності існування фотонів.
Визначення фотоефекту
Фотоелектричнимефектом (фотоефектом)називають групу явлень, що виникають при взаємодії світла з речовиною і полягають або в емісії електронів(зовнішній фотоеф- фект ),або у зміні електропровідності речовини або виникненні електрорушійної сили(внутрішнійфотоэф- фект).
У фотоефекті проявляються корпускулярні властивості світла. У 1888 Гальвакс показав, що при опроміненні ультрафіолетовим світлом електрично нейтральної металевої пластинки остання набуває позитивного заряду. У цьому року Столетєв створив перший фотоелемент і застосував його практично, потім він встановив пряму пропорційність сили фотоструму інтенсивності падаючого світла. У 1899 році Дж. Дж. Томпсон і Ф. Ленард довели, що при фотоефекті світло вибиває з речовини електрони.
Види фотоефектів
Виділяють три основні види фотоефектів: внутрішній, зовнішній та вентильний.
Зовнішній фотоефект спостерігається в газах на окремих атомах та молекулах (фотоіонізація) та в конденсованих середовищах.
Зовнішній фотоефект в металі можна уявити, що складається з трьох процесів: поглинання фотона електроном прово- димості, в результаті чого збільшується кінетична енергія електрона; рух електрона до тіла; вихід електро- трону з металу. Цей процес енергетично описують рівнянням Ейнштейна (див. нижче).
Якщо, висвітлюючи метал монохроматичним світлом, зменшувати частоту випромінювання (збільшувати довжину хвилі), то, починаючи з деякого її значення, званогочервоним кордоном;фото ефект припиниться.
Експериментальні дослідження показали, що термін «червона межа» не означає, що межа фотоефекту обов'язково потрапляє в область червоного кольору.
Внутрішній фотоефект спостерігається при освітленні напів- провідників і діелектриків, якщо енергія фотона достатня для, перекидання електрона з валентної зони в зону провідності, У домішкових напівпровідниках фотоефект виявляється так- ж у тому випадку, якщо енергія електрона достатня для перекидання електронів у зону провідності з донорних домішкових рівнів або з валентної зони на акцепторні домішкові рівні. Так у напівпровідниках та діелектриках виникає фотоелектропровідність.
Цікавий різновид внутрішнього фотоефекту наблю- дається вконтакті електронного і діркового напівпровідників. У цьому випадку під дією світла виникають електрони та дір- ки, які поділяються електричним полем р-n-переходу; електрони переміщуються в напівпровідник типу n, а дірки - у напівпровідник типу р, При цьому між дірочним і електрон- ним напівпровідниками змінюється контактна різниця потен- ціалів порівняно з рівноважною, тобто .виникає фотоелектро- рушійна сила. Таку форму внутрішнього фотоефекту називають ваютьвентильним фотоефектом.
Він може бути використаний для безпосереднього перетворення енергії електромагнітного випромінювання в енергію електричного струму.
Рівняння Ейнштейна
Формулювання 1-го закону фотоефекту:кількість електронів, що вириваються світлом з поверхні металу за 1с, прямо пропорційно інтенсивності світла.
Відповідно до2-го закону фотоефекту,максимальна кінетична енергія електронів, що вириваються світлом, лінійно зросте з частотою світлаі залежить від його інтенсивності.
3-ий закон фотоефекту:для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світлаv0 (або максимальна довжина хвиліλ0 ), при якій ще можливий фотоефект, і якщоv2/2,
деmv2-максимальна кінетична енергія, яку може мати електрон при вильоті з металу. Вона може бути визначена:
U 3 - напруга, що затримує.
Теоретично Ейнштейна закони фотоефекту пояснюються так:
Інтенсивність світла пропорційна числу фотонів у світловому пучку і тому визначає кількість електронів, вирваних із металу.
Другий закон випливає із рівняння: mv 2 /2=hv-A.
З цього рівняння випливає, що фотоефект можливий лише в тому випадку, коли енергія поглиненого фотона перевищує роботу виходу електрона з металу. Т. е. частота світла при цьому повинна перевищувати деяке певне для кожної речовини значення, що дорівнює A>h. Ця мінімальна частота визначає червону межу фотоефекту:
При меншій частоті світла енергії фотона не вистачає для здійснення електроном роботи виходу, і тому фотоефект відсутній.
Квантова теорія Ейнштейна дозволила пояснити ще одну закономірність, встановлену Столетовим. У 1888 р. Столетов зауважив, що фотострум з'являється майже одночасно з освітленням катода фотоелемента. По класичної хвильової теорії електрону в полі світлової електромагнітної хвилі потрібен час для накопичення необхідної для вильоту енергії, і тому фотоефект повинен протікати із запізненням принаймні кілька секунд. За квантовою теорією ж, коли фотон поглинається електроном, то вся енергія фотона переходить до електрона ініякого часу для накопичення енергії не потрібно.