При взаимодействии света с веществом происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням. Если энергия кванта превышает ширину запрещенной зоны, электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей тока, что проявляется в увеличении электропроводности вещества [1]. Это означает возможность существования внутреннего фотоэффекта не только в полупроводниках и металлах, но и в жидкости. Известные в настоящее время экспериментальные результаты в основном относятся к фотоэлектронной эмиссии, происходящей на поверхности металла, находящегося в контакте с электролитом [2]. Это позволило исследовать такие редкие явления как нелинейный фотоэлектрический эффект и многофотонные процессы в твердых телах. На первый взгляд может показаться, что обнаружить фотоэлектрический эффект с участием чистой жидкости, примером которой является чистая вода, практически невозможно. Этому мешает очень низкая проводимость и ряд сопутствующих факторов [3]. Однако известно, что если вода находится в контакте с металлическими электродами, то она ведет себя как источник постоянного электрического тока. Это – экспериментальный, и, наверное, достаточно очевидный факт. Из этого следует реальная возможность обнаружить внутренний фотоэффект, происходящий в той или иной чистой жидкости. Необходимо лишь создать условия, при которых металлические электроды не облучаются. Надо также исключить или учесть влияние других процессов, создающих вклад в силу электрического тока, текущего в жидкости.
На рис. 1 показано простое устройство, предназначенное для обнаружения и изучения фотоэлектрического эффекта, происходящего с участием жидкости [4]. Экспериментальная установка представляет собой два цилиндрических электрода 1 и 2, разделенные светонепроницаемым цилиндрическими экраном 3. Внешний электрод 1 представляет собой боковую поверхность кюветы, в которой находится жидкость. Между источником света 4 и кюветой находятся подвижный неметаллический механический экран 5, поглотитель 6 и светофильтр 7. Вблизи нижней поверхности светофильтра установлен датчик освещенности 8. Интерес представляет значение освещенности вблизи поверхности жидкости. Установлено, что в таком положении значение освещенности, зарегистрированное фоторезистором 8, отличается от усредненного по поверхности жидкости значения освещенности в 2,4 раза при объеме жидкости в кювете V = 100 мл. Поэтому в дальнейшем под величиной E понимается средняя освещенность поверхности жидкости. На дне пустой кюветы средняя освещенность меньше значения E в 1,6 раза.
Время открывания механического экрана менее секунды. Это позволяет исключить из рассмотрения электромагнитные помехи, обусловленные включением и выключением источника света. Источник света включался за 30 секунд до начала экспозиции; время экспозиции – 10 с. Малое время экспозиции позволяет не обращать внимание на возможный нагрев элементов установки источником света, хотя датчик (на рис. 1 не показан), находящийся в жидкости, с точностью не хуже 0,1 °С не обнаружил изменение температуры ни во время экспозиции, ни после нее. Поглотитель позволяет изменять освещенность внутри кюветы без изменения спектрального состава излучения. Внутренний и внешний электроды зашунтированы резистором R, напряжение на котором U регистрировалось быстродействующим электронным вольтметром. Все, приведенные ниже экспериментальные результаты, получены при следующих параметрах установки. Диаметр и высота внешнего медного электрода составляли 75 и 50 мм, соответственно. Диаметр цилиндрического экрана, исключающего попадание света на внутреннюю поверхность внешнего электрода, – 40 мм, его высота - 40 мм; диаметр и высота внутреннего медного электрода 10 и 45 мм, соответственно. Сопротивление резистора - 217 кОм.
Рис. 1. Экспериментальная установка:1 и 2 – цилиндрические медные электроды, 3 – бленда, 4 – источник света, 5 – подвижный экран, 6 – поглотитель, 7 – светофильтр, 8 – датчик освещенности
Первое, на что обязательно следует обратить внимание, это зависимость силы тока I = U/R от времени в темновом режиме, то есть при закрытом экране. Это необходимо не только затем, что выбрать удачные интервалы времени для экспозиции, но и сравнить полученные результаты измерений при различных объемах V жидкости в кювете. Такие зависимости приведены на рис. 2, и, как ожидалось, подтверждают удобства и преимущества описываемого метода изучения фотоэффекта. Спустя примерно 12 часов после загрузки жидкости в кювету, падение напряжения U и ток I перестают изменяться, и это продолжается сравнительно долго [5].
Рис. 3 демонстрирует изменение со временем силы тока U/R в цепи и освещенности E в кювете во время экспозиции и после нее. По существу, это – первый аргумент, подтверждающий фотоэлектрическую природу явления. Сразу после начала экспозиции электрический ток в цепи резко возрастает, плавно увеличивается во время экспозиции и еще более плавно спадает до первоначального значения темнового тока после окончания экспозиции. Поэтому в качестве количественной характеристики явления имеет смысл выбрать величину скачка тока dI (рис. 3). Это - единственная величина, которая не должна изменяться со временем, а плавное возрастание тока в цепи позволяет определить ее сравнительно точно, используя, к примеру, методы обработки экспериментальных зависимостей. В дальнейшем на эту величину можно ссылаться как на значение фототока. Следует обратить внимание, освещенность внутри кюветы во время экспозиции если и изменяется, то крайне слабо. Есть еще одно обстоятельство, которое обязательно должно быть отмечено. Если бы такое возрастание темнового тока было обусловлено фотоэлектрическим эффектом, происходящим на поверхности внутреннего электрода, подверженного облучению рассеянным в кювете светом, это вызвало бы уменьшение темнового тока.
Рис. 2. Темновой ток как функция времени для двух объемов жидкости в кювете
Рис. 3. Ток в цепи I и освещенность E во время экспозиции и после нее
Обычный фотоэффект, в том числе и внутренний, характеризуются линейной зависимостью фототока от освещенности. Это же относится и к описываемому здесь явлению. Это продемонстрировано на рис. 4. Оказалось, что величина фототока dI при прочих равных условиях не зависит от объема V жидкости, находящейся в кювете. Это еще одно, правда, косвенное подтверждение внутреннего характера фотоэлектрического эффекта. Увеличение объема жидкости приводит к пропорциональному изменению темнового тока (см. рис. 2), расстояние же от области, где наиболее эффективно происходит изменение проводимости, до источника света изменяется незначительно. Впрочем, такая интерпретация, как и сама зависимость, показанная на рис. 4, подлежат уточнению.
Рис. 4. Фототок в зависимости от освещенности при двух объемах жидкости к кювете
Едва ли следует заострять внимание на важности зависимости фототока от длины волны оптического излучения, показанной на рис. 5. К сожалению, при освещенностях, меньших 104 лк, с достаточной точностью измерить величину фототока dI удается лишь для синего света. С очень большими ошибками связаны и попытки измерить значение фототока для красного и инфракрасного излучений. Наверное, в этом и заключается ограниченность этой сравнительно простой методики изучения фотоэффекта [4].
Рис. 5. Зависимость фототока от длины волны при освещенности E = 4∙104 лк и объеме жидкости V = 100 мл
С другой стороны, только таким методом удается выяснить, что является причиной резкого изменения тока в цепи: изменение проводимости жидкости или появление дополнительной разности потенциалов. Достаточно обратить внимание, что сразу после загрузки жидкости в кювету потенциал внутреннего электрода отрицателен (см. рис. 2).
Поэтому, если бы при экспозиции проводимость воды возрастала, это привело бы к дальнейшему уменьшению потенциала. На самом же деле происходит обратное: по модулю сила тока уменьшается, потенциал же возрастает [6]. Это продемонстрировано на рис. 6. Единственная возможность объяснить такое поведение фототока до, во время и после экспозиции, - предположить, что при оптическом облучении жидкость приобретает дополнительный электрический потенциал. Это – один из наиболее значимых результатов измерений, хотя работа представляла собой попытку обнаружить внутренний фотоэффект в жидкости, интересным и важным примером которой является чистая вода. Ссылаясь на приведенные выше экспериментальные зависимости, можно надеяться, что такая попытка оказалась успешной.
Рис. 6. Падение напряжения U как функция времени при отрицательном потенциале внутреннего электрода
Библиографическая ссылка
Герасимов С.А. ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ЖИДКОСТИ // Современные наукоемкие технологии. – 2012. – № 11. – С. 42-44;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=31099 (дата обращения: 21.11.2024).