Судьба затерявшихся фотонов

Читая о фотоэффекте, вы, вероятно, уже задумывались над тем, почему не каждый фотон, имеющий необходимую энергию, выбивает электрон, и, наверное, пытались понять судьбу тех фотонов, которые, попав в фотокатод, так и остались в нем, не дав полезного результата.

Коротко ответить на эти вопросы, пожалуй, нельзя. Поэтому те, кто хочет подробнее разобраться в этом, должны обратиться к помощи других книг. Здесь же стоит ограничиться наикратчайшим и довольно приблизительным объяснением этого факта. Оно сводится к упоминанию о двух важных обстоятельствах. Первое заключается в том, что некоторые из электронов, выбитых фотонами, двигаясь в пространстве кристаллической решетки вещества фотокатода, сталкиваются с другими свободными электронами. При столкновении они отдают часть своей энергии, и оставшейся уже не хватает, для того чтобы покинуть фотокатод. Другая причина - это то, что фотоны не всегда отдают свою энергию свободным электронам. Иногда они отдают ее электронам, связанным с атомами. Для того чтобы выбить такие электроны, требуется значительно большая энергия, чем та, которой обладают далеко не все фотоны.

Казалось бы, с такими потерями необходимо примириться. Но ученые нашли методы, позволяющие использовать и те фотоны, которые ранее считались невозвратно пропавшими. Открыв эти методы, они создали фотоэлементы совершенно нового типа. Их называют фотоэлементами с внутренним фотоэффектом.

Такое название говорит само за себя. Слова "внутренний фотоэффект" показывают, что в таких фотоэлементах протекание тока обеспечивается не теми электронами, которые покинули поверхность облучаемого вещества, а теми, которые, получив от фотонов энергию, покинули лишь атомные орбиты и свободно перемещаются в пространстве кристаллической решетки. Для того чтобы выбить электрон с атомной орбиты, требуется меньше энергии, чем для того, чтобы заставить электрон вообще покинуть поверхность облучаемого вещества. Именно поэтому в новых фотоэлементах удалось повысить чувствительность. В таких фотоэлементах почти каждый фотон, имеющий достаточную энергию, освободит электрон и позволит ему переносить заряд, то есть проводить ток. Не менее важно и то, что величина необходимой энергии фотонов при внутреннем фотоэффекте может быть меньшей, и поэтому красная граница внутреннего фотоэффекта достигает значительно больших длин волн.

Фотоэлементы нового типа устроены совсем иначе и гораздо проще, чем старые. Они представляют собой небольшой кусочек специального вещества, вставленный в оправу. С торцов это вещество плотно соприкасается с металлическими контактами - выводами. Внешняя поверхность, обращенная к свету, и есть рабочая поверхность, на которую направляют лучи света.

Когда такой фотоэлемент находится в темноте, свободных электронов в пространстве кристаллической решетки очень мало. В этом случае они смогут освобождаться из атомов только за счет нагрева. Но, когда на рабочую поверхность падают лучи света, свободных электронов в кристаллической решетке вещества становится много; тем больше, чем интенсивнее падающий свет. Они хаотически перемещаются в пространстве решетки в самых разнообразных направлениях. Но в среднем количество электронов, направленных в данный момент, скажем, влево, равно количеству электронов, движущихся вправо. Поэтому тока через фотоэлемент не будет, даже если мы перемкнем его выводы между собой.

Но стоит только подключить к выводам источник электрического тока, как движение электронов упорядочится с очень большой быстротой. Большинство электронов начинает двигаться в одну сторону: от вывода, на который подан минус, к выводу, присоединенному к плюсу. Такое упорядоченное движение электронов и есть электрический ток. Чем интенсивнее падающий свет, тем больше освободившихся электронов, тем больший течет ток.

У таких фотоэлементов есть важная отличительная черта. Она состоит в том, что ток, проходя через них при постоянном освещении, изменяется при изменении напряжения источника, повинуясь всем известному закону Ома. Иными словами, при неизменной освещенности фотоэлемент с внутренним фотоэффектом ведет себя как обычное сопротивление. Благодаря этому свойству фотоэлементы такого рода называют теперь фотосопротивлениями. Это название прочно привилось к ним еще и потому, что по своему виду фотосопротивления действительно похожи на самые распространенные элементы радиоэлектронных схем - сопротивления,

Мы тоже будем пользоваться таким названием, тем более удобным, что оно подчеркивает разницу между фотоэлементами с внешним фотоэффектом и фотоэлементами с внутренним фотоэффектом и позволяет избежать путаницы.

Для изготовления фотосопротивлений применяется особая группа материалов - так называемых полупроводников. Наиболее часто в настоящее время фотосопротивления изготавливаются из сернистого свинца, трехсернистой сурьмы, теллуристого свинца, сернистого кадмия и из некоторых химических соединений, содержащих селен.

Современные фотосопротивления обладают весьма высокой чувствительностью. Не менее важно и то, что при достаточном освещении они могут пропускать во внешнюю цепь сравнительно большой ток. Это означает, что их часто можно использовать без каких-либо дополнительных электронных усилителей. Так, схему простого счетчика, в котором раньше совместно с фотоэлементом применяли усилитель, можно собрать, используя только фотосопротивление, батарею и электромагнитное реле.

Есть у фотосопротивлений и недостатки. Основной из них - это то, что они инерционны, то есть имеют достаточную чувствительность и проводят нормальный рабочий ток только в том случае, если интенсивность падающего на них света либо вовсе не изменяется во времени, либо изменяется сравнительно медленно. Если же она пульсирует с большой частотой или представляет собой ряд последовательных кратковременных вспышек, то фотосопротивление не успевает реагировать на такие быстрые изменения освещенности. В этом смысле фотосопротивления напоминают глаз, который тоже не успевает реагировать на вспышки, часто следующие друг за другом. Как правило, инерционность фотосопротивлений тем больше, чем больше их чувствительность.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом и фотоумножители не обладают таким недостатком. Они практически мгновенно откликаются на каждое даже очень кратковременное, очень быстрое изменение светового потока. Именно поэтому фотоумножители можно применять в счетчиках частиц, в световых измерителях расстояний, где длительность световых вспышек составляет миллионные доли секунды, в световой телефонии, где свет пульсирует с большой частотой.

Первые более или менее пригодные для технического использования фотосопротивления появились незадолго до второй мировой войны. В годы войны немецкие специалисты добились некоторых успехов в их усовершенствовании. Но всего лишь лет десять назад фотосопротивления были доведены до такой степени совершенства, что в настоящее время без них были бы немыслимы многие важные приборы.