Фотоелектричен ефект и приложението му в медицината
МИНИСТЕРСТВО НА ЗДРАВЕОПАЗВАНЕТО НА УКРАЙНА
ЛУГАНСКИ ДЪРЖАВЕН МЕДИЦИНСКИ УНИВЕРСИТЕТ
Катедра по медицина кибернетика, биофизика и мед. оборудване
Резюме по темата:
"Фотоелектричният ефект и приложението му в медицината"
Изпълнител: студент от 1-ва година от 28-ма група на медицинския факултет
Определение на фотоелектричния ефект. 6
Видове фотоелектрични ефекти. 6
Уравнението на Айнщайн. 8
Приложение на фотоелектричния ефект в медицината. 10
Списък на използваните източници. 16
През 1887 г. немският физик Хайнрих Херц експериментира с искров разрядник за излъчване на електромагнитни вълни - двойка метални топки; когато между тях се приложи потенциална разлика, прескочи искра. Когато освети една от топките с ултравиолетови лъчи, разрядът се засили. Такавъншен фотоелектричен ефект.
През 1888 г. Вилхелм Галвакс установява, че метална плоча, облъчена с ултравиолетова светлина, е положително заредена. Това е второто откритие на фотоелектричния ефект. Третият, без да знае за експериментите на Херц и Галвакс, е наблюдаван през същата година от италианеца Аугусто Риги. Той установи, че фотоелектричният ефект е възможен както в метали, така и в диелектрици. Александър Григориевич Столетов е четвъртият учен, който независимо открива фотоелектричния ефект. Той изучава ново явление в продължение на две години и извежда основните му модели. Оказа се, че силата на фототока, първо, е право пропорционална на интензитета на падащата светлина, и второ, при фиксиран интензитет на облъчване, той първо нараства с увеличаване на потенциалната разлика, но след като достигне определена стойност (ток на насищане), вече не се увеличава.
През 1899 г. германецът Филип Ленард и англичанинът ДжоузефТомсън доказа, че светлината, падаща върху метална повърхност, избива от нея електрони, чието движение води до появата на фототок. Въпреки това не беше възможно да се разбере природата на фотоелектричния ефект с помощта на класическата електродинамика. Остана необяснимо защо фототокът се появява само когато честотата на падащата светлина надвишава строго определената стойност за всеки метал.
Едва през 1905 г. Айнщайн превръща тази загадка в напълно прозрачна картина. Той предположи, че електромагнитното лъчение не се излъчва само на части - то се разпространява в пространството и се поглъща от материята също под формата на порции - светлинни кванти (фотони). Следователно интензитетът на падащия светлинен лъч в никакъв случай не е важен за появата на фотоелектричния ефект. Основното е дали един светлинен квант енергия е достатъчен, за да избие електрон от веществото. Минималната енергия, необходима за това, се наричаработа A.В резултат на това Айнщайн извежда уравнението за фотоелектричния ефект.
Ясно е, че фотоелектричният ефект може да бъде предизвикан само от светлинна вълна с достатъчно висока честота, а силата на фототока е пропорционална на интензитета на абсорбираната светлина, тоест на броя на фотоните, които могат да избият електрони от веществото. През 1907 г. Айнщайн прави още едно уточнение на квантовата хипотеза. Защо тялото излъчва светлина само на части? Следователно, отговори Айнщайн, атомите имат само дискретен набор от енергийни стойности. Така теорията за излъчването и абсорбцията придоби завършена форма.
През 1922 г. американецът Артър Комптън открива, че дължината на вълната на рентгеновото лъчение се променя, когато се разпръсне от електроните на дадено вещество. Но според класическата електродинамика дължината на вълната на светлината не може да се промени по време на разсейване! Тогава Комптън извърши изчисление, като приеме, че не вълни, а частици се разпръскват от електрони(фотони). Резултатът съвпадна с експерименталния. Това стана пряко доказателство за реалността на съществуването на фотони.
Определение за фотоелектричен ефект
Фотоелектриченефект (фотоелектричен ефект)е група от явления, възникващи от взаимодействието на светлината с материята и състоящи се или в емисия на електрони(външен фотоелектричен ефект- ефект),или в промяна в електрическата проводимост на вещество или поява на електродвижеща сила(вътрешнафотоелектричен ефект- ефект).
Фотоелектричният ефект разкрива корпускулярните свойства на светлината. През 1888 г. Галвакс показа, че когато електрически неутрална метална плоча се облъчи с ултравиолетова светлина, последната придобива положителен заряд. През същата година Столетев създава първата фотоклетка и я прилага на практика, след което установява пряката пропорционалност на силата на фототока на интензитета на падащата светлина. През 1899 г. J. J. Thompson и F. Lenard доказаха, че по време на фотоелектричния ефект светлината избива електрони от материята.
Видове фото ефекти
Има три основни вида фотоелектрични ефекти: вътрешни, външни и вентилни.
Външният фотоелектричен ефект се наблюдава в газове върху отделни атоми и молекули (фотойонизация) и в кондензирани среди.
Външният фотоелектричен ефект в метал може да се представи като състоящ се от три процеса: поглъщане на фотон от електрон на проводимост, в резултат на което кинетичната енергия на електрона се увеличава; движението на електрона към повърхността на тялото; изхода на електрон-10>трон от метала. Този процес е енергийно описанот уравнението на Айнщайн(виж по-долу).
Ако, осветявайки метала с монохроматична светлина, намалите честотата на излъчване (увеличете дължината на вълната), тогава, започвайки от определена стойност, нареченачервена граница;снимка ефектът ще спре.
Експерименталните изследвания показват, че терминът "червена граница" не означава, че границата на фотоелектричния ефект непременно попада в червената област.
Вътрешният фотоелектричен ефект се наблюдава при осветяване на полу- проводници и диелектрици, ако фотонната енергия е достатъчна за прехвърляне на електрони от валентната лента към проводимата зона, В полупроводниците с примеси, фотоелектричният ефект се открива по същия начин- ако енергията на електроните е достатъчна за прехвърляне на електрони в проводимата зона от донорни примеси нива или от валентната зона до нива на акцепторни примеси. Ето как възниква фотопроводимостта в полупроводниците и диелектриците.
Интересна разновидност на вътрешния фотоефект се наблюдава при контакта между електронни и дупкови полупроводници. В този случай под действието на светлината се образуват електрони и дупки- ки, които се разделят от електричното поле на pn прехода; Електроните се преместват в полупроводник от n-тип, а дупките в полупроводник от тип p. В същото време контактната разлика в потенциала между дупката и електрон- полупроводниците се променя в сравнение с равновесната, т.е. възниква фотоелектро- движеща сила. Тази форма на вътрешен фотоелектричен ефект се наричаклапанен фотоелектричен ефект.
Може да се използва за директно преобразуване на енергията на електромагнитното излъчване в енергията на електрически ток.
Уравнението на Айнщайн
Формулиране на първия закон на фотоелектричния ефект:Броят на електроните, изхвърлени от светлина от метална повърхност за 1s, е право пропорционален на интензитета на светлината.
Съгласно2-рия закон на фотоелектричния ефект,максималната кинетична енергия на електроните, изхвърлени от светлина, ще нараства линейно с честотата на светлинатаи не зависи от неговата интензивност.
3-ти закон на фотоелектричния ефект:за всяко вещество има червена граница на фотоелектричния ефект, т.е. минималната честота на светлинатаv0 (или максималната дължина на вълнатаλ0 ), при която фотоелектричният ефект все още е възможен, и акоv2/2,
къдетоmv2е максималната кинетична енергия, която един електрон може да има, когато напусне метала. Може да се определи:
U 3 - забавяне на напрежението.
В теорията на Айнщайн законите на фотоелектричния ефект се обясняват по следния начин:
Интензитетът на светлината е пропорционален на броя на фотоните в светлинния лъч и следователно определя броя на електроните, изхвърлени от метала.
Вторият закон следва от уравнението: mv 2 /2=hv-A.
От същото уравнение следва, че фотоелектричният ефект е възможен само когато енергията на погълнатия фотон надвишава работата на изхода на електрона от метала. Тоест честотата на светлината в този случай трябва да надвишава определена стойност, определена за всяко вещество, равна на A> h. Тази минимална честота определя червената граница на фотоелектричния ефект:
При по-ниска честота на светлината енергията на фотона не е достатъчна, за да може електронът да изпълни работната функция и следователно няма фотоелектричен ефект.
Квантовата теория на Айнщайн позволи да се обясни друга закономерност, установена от Столетов. През 1888 г. Столетов забелязва, че фототокът се появява почти едновременно с осветяването на катода на фотоклетката. Според класическата вълнова теория електронът в полето на електромагнитна светлинна вълна се нуждае от време, за да натрупа енергията, необходима за полета си, и следователно фотоелектричният ефект трябва да настъпи със закъснение от поне няколко секунди. Според квантовата теория, когато един фотон се абсорбира от електрон, тогава цялата енергия на фотона отива към електрона ине е необходимо време за натрупване на енергия.