8.4 Внутренний фотоэффект

Во внешнем фотоэффекте энергия фотона передается свободным электронам, после чего они покидают поверхность проводника. Однако, существует вероятность столкновения фотонов с валентными электронами вещества. Если энергии фотона достаточно для преодоления электроном запрещенной зоны, то он становится электроном проводимости. Увеличение количества свободных электронов внутри твердого тела приводит к увеличению его проводимости. Это явление получило название внутренний фотоэффект.

Внутренний фотоэффект широко используется в различных регистрирующих устройствах. Обычно в таких устройствах используются, так называемые, светодиодные пары. Светодиодная пара состоит из излучателя и приемника (фотодиода). Излучатель посылает световой сигнал к фотодиоду, включенному в электрическую цепь сигнального устройства. При изменении освещенности фотодиодного датчика изменяется и его сопротивление, что, в свою очередь, приводит к изменению тока в цепи сигнального устройства.

Перераспределение электронов по энергетическим уровням приводит к изменению внутреннего электрического поля в кристалле. Это ведет к появлению ЭДС на границе двух различных полупроводников или полупроводника и металла. Данное явление получило название вентильного фотоэффекта. По сути, механизм вентильного фотоэффекта ничем не отличается от внутреннего. Как известно, причина односторонней проводимости p-n-перехода заключается в существовании двойного запирающего слоя на границе контакта двух полупроводников. В процессе облучения этого запирающего слоя количество электронов в нем увеличивается, что приводит к возникновению контактной разности потенциалов. Для того чтобы фотоны могли достигнуть запирающего слоя, на поверхность полупроводника n-типа наносят тонкий слой полупроводника p-типа и через эту тонкую пленку облучают p-n-переход.

8 .5 Комптоновское рассеяние

В 1922 году Артур Комптон (1892-1962) открыл явление, которое, как и фотоэффект, связано с корпускулярными свойствами света. Комптон изучал рассеяние жесткого рентгеновского излучения на телах, состоящих из легких атомов. При этом он обнаружил, что в рассеянных лучах, наряду с излучением первоначальной длины волны , содержатся также лучи большей длины волны . Разность длин волн  оказалась зависящей только от угла рассеяния. Изменение длины волны получило название комптоновского смещения, а само явление – эффект Комптона. Схема опытов Комптона представлена на рисунке. Узкий пучок рентгеновских лучей, выделяемый диафрагмами Д₁ и Д₂, рассеивается веществом (В) с легкими атомами (углерод, парафин и т.д.). Рассеянный свет изучается на рентгеновском спектрографе (РС).

С точки зрения волновой теории, возникновение излучения с длиной волны  невозможно. Однако, такое изменение не вызывает непонимания, если рассматривать его с корпускулярной точки зрения. Рассмотрим упругое столкновение свободного электрона с рентгеновским фотоном . При этом будем предполагать, что электрон покоится. Такое предположение обосновано тем, что скорость движения электронов в веществе мала по сравнению со скоростью света. Энергия и импульс фотона до и после столкновения имеют вид: , и , . Энергия и импульс электрона до и после столкновения соответственно: , и , . Согласно законам сохранения энергии и импульса

или (8.5.1)

В законе сохранения импульса необходимо избавиться от векторов. Из рисунка (стр. 114) видно, что . Тогда система уравнений примет вид

(8.5.2)

Возведем второе уравнение системы (8.5.2) в квадрат и поделим на с²

. (8.5.3)

Вычтем из полученного уравнения (8.5.3) первое уравнение системы (8.5.2)

.

Воспользуемся преобразованиями специальной теории относительности, из которой следует, что . Тогда,

,

следовательно,

.

Поделив это уравнение на h, получим

.

Таким образом, полученное выражение определяет зависимость изменения частоты световой волны при рассеянии на электронах. Однако, удобнее выражать изменение не частоты, а длины волны ( , )

или ;

. (8.5.4)

Величину называют комптоновской длиной волны, а уравнение (8.5.4) принимает вид

. (8.5.5)

Формула (8.5.5) показывает, что рассеяние фотонов на неподвижных свободных электронах должно всегда сопровождаться увеличением длины волны. Однако, кроме этого происходит рассеяние без изменения длины волны. Это происходит, когда фотон рассеивается на связанных электронах. В этом случае импульс и энергия передаются всему атому. Вследствие того, что масса атома велика, _с будет мала, а с ней и  будет очень маленькой.

Чем больше энергия налетающего фотона, тем в меньшей степени проявляется связь электрона с ядром. Вот почему для эффекта Комптона необходимо использовать жесткие рентгеновские лучи. Однако, когда , при взаимодействии его с веществом начинается процесс образования электрон-позитронных пар. Отметим также, что рассеяние фотонов на атомах когерентно, а на свободных электронах некогерентно. Это очевидно, поскольку свободные электроны и их движения независимы, а связанные согласованы между собой.