Enamikel ainetel tekitab fotoefekti UV-valgus, mille lainepikkus jääb vahemikku 5400 nm. Tseesiumil aga nt 680nm.. Tsingil punapiir nt 300 nm 6 Fotoefekti rakendusi Fotoefekti kasutatakse: Automaatikas Telemehaanikas Toodete kvaliteedi kontrollimisel Fotograafias Sisefotoefekti kasutatakse: Fototakistites Fotodioodides Päikesepatareides 7 Mis on sisefotoefekt? Fotoefekt ehk sisefotoefekt on välisfotoefektiga sarnane nähtus, ent "vabanenud" elektronid vabanevad vaid aatomite küljest, jäädes ainesse. Seetõttu saavad nad vabalt aines liikuda, mille tõttu väheneb aine takistus. 8 Kasutatud kirjandus Peets G. ,,Materjale füüsika elementaarkursuse kordamiseks", Tallinn, Valgus, 1984, 124 lk. Kabardin O
Kordamine - kvantoptika 1. ,,E" tähistab footoni energiat, ,,h" Plancki konstanti ja ,,f" valguskvandi sagedust. Planck'i konstant (tähis h) on füüsikaline konstant kvantmehaanikas, mis iseloomustab kvantide suurust. 2. Fotoefektiks nimetatakse elektronide väljalöömist ainest (metallist, pooljuhist) valguse toimel. 3. Fotoefekti punapiir piirsagedus või lainepikkus, mille puhul footoni energia on võrdne elektorni väljumistööga. Sellest väiksema sageduse korral fotoefekti ei toimu. Pikemate lainete (spektri punases osas) juures ei jätku kvandi energiast elektroni ainest välja löömiseks ja fotoefekti ei teki, siis nimetus kas punane piir või pikalaineline piir. 4. hf = A + mv2/2, kus h on pealelangeva valguse sagedus, kokku hf on valguskvandi energia, mis muutub fotoelektroni antud ainest väljumise tööks A ja energia ülejäägi saab elektron kaasa kineetilise energia mv2/2 näol, kus ...
E=hf ,kus f-valguse sagedus, ühik on 1Hz(hertz). Js plancki konstant. Kuna valguse kiirus vaakumis , siis . Kus -lainepikkus (m) , m/s. A-elektroni väljumistöö SJ-süst ühik 1J (dzaul) kasutusel ka 1eV (elektronvolt) s.o energia mille elektron saab lõigu läbimisel kui pinge selle oststel on 1V. Ek- fotoelektroni kineetiline energia , kus elektroni mass m=kg. Fotoefekti liigid ja kasutamine 1.(välis)fotoefekt-kasutatakse vanadel fotofilmi taastamisel. 2.sisefotoefekt-tähendab elektroni aatomi või molekuli küljest lahtilöömist ja aine sisest liikumist. Kasutusel päikesepatareis. Kui nende hinda suudetakse alandada ja kasutegurit tõsta saab nendega massiliselt elektrienergiat toota. Fotoelement Fotoelemendis tekib valguse toimel elektrivool või muudetakse valguse energia elektrienergiaks. Valguse rõhk Valguse rõhu mõõtise esimesena 1900.a P.Lebedev. Katsed näitavad et valguse rõhk pv on võrdeline valguse intensiivsusega
9. Milles seisneb Comptoni efekt? Röntgenikiirguse hajumisel ainetel, mis sisaldavad vabu elektrone muutub kiirguse lainepikkus. 10. Mis on fotoelement, fotoelektronkordisti? Fotoelement- muudab valgusenergia elektrienergiaks. Fotoelektronkordisti- kasutatakse nõrkade valgusvoogude mõõtmiseks. 11. Mis on päikesepatarei, milleks kasutatakse? Päikesepatarei koosneb tervest hulgast üksikuist fotoelementidest. valguse toimel tekib elektrivool. 12. Mis on sise-ja välisfotoefekt? Sisefotoefekt-elektronid vabanevad sidemetest(jäävad ainesse) pooljuhtides. Välisfotoefekt-elektronid lüüakse ainest välja (metallides) 13. Fotoefekti rakendused fotograafias, fotosünteesis, tänavavalgustuse ja metroo sissekäikude juures? valguse langemisel fotelemendile tekib elemendis ahelasvool,mille tulemusel relee hakkab tööle ja avab välise vooluringi. Sissekäigud- maksmata läbi minnes kaob, vool,relee suleb uksed. 14
10. Lainefront on pind ruumis, kus kõik laine punktid võnguvad ühes faasis. 11. Huygensi printsiipi: lainefrondi iga punkt on uue laine allikaks. 12. punane, sinine ja roheline. 13. Valguse dualism: Looduses vastab igale lainele osake ja iga osakesega kaasneb laine. 14. Valguse kvanti nimetatakse footoniks, valgust saab kirjeldada ka osakeste abil, nimelt on olemas valguse osakesed ehk kvandid. 15. välisfotoefektiks nimetatakse elektronide väljalöömist ainest. sisefotoefekt, mille korral valgus lööb elektrone välja keemilistest sidemetest aatomite vahel, aga elektronid ainest ei välju. 16. Difraktsiooniks nimetatakse lainete kandumist teele jäävate tõkete taha. 17. Interferentsiks nimetatakse lainete liitumist, mille tulemusena mõnes kohas lained muutuvad suuremaks (amplituud saab suuremaks kui ühe liituva laine amplituud), teises kohas väiksemaks (amplituud väheneb). 18
jala pikkusest. Teatud lähenduses võime kasutada matemaatilise pendli perioodi valemit, kus pendli pikkuseks ongi taandatud pikkus. Teades oma jala võnkeperioodi, sammu pikkust, joonistage igaüks välja oma jala omavõnkumiste graafikud ja tehke järeldused. 3. Fotoefekt fotoefektiks nimetatakse elektronide vabastamist aatomist või nende väljumist ainest valguse (elektromagnetkiirguse) mõjul. Fotoefektil on kaks alaliiki sisefotoefekt ja välisfotoefekt. Sisefotoefektil lööb valgus elektroni lahti ainult aatomi küljest. Elektron jääb ainetüki sisemusse, kuid saab nüüd vabalt liikuda. Seevastu välisfotoefektil paiskuvad elektronid ainetükist üldse välja. Fotoefekti abil saab muuta valgusenergiat elektrienergiaks. Seadmeid, mis seda võimaldavad, nimetatakse fotoelementideks. Neid kasutatakse tänapäeval väga laialdaselt, näiteks kaamerates ja optilistes sensorites. Valguse toimest
tumedal taustal. Need jooned on spektrijooned. Kontrollküsimused: 1.Mida võib väita 4.27 esitatud spektri kohta? Vastus: on joonspekter. Fotoefekt Fotoefekti katsete abil tõestati footonite olemasolu. Fotoefekt- elektronide väljalöömine ainest (välisfotoefekt). Sisefotoefekti korral valgus lööb elektrone välja keemilistest sidemetest aatomite vahel, aa elektronid ainest ei välju. Sisefotoefekt on näiteks päikesepatareide töö aluseks. Kontrollküsimused: 1.Millest sõltub see, kas pealelangev valgus tekitab fotoefekti või mitte? Vastus: valguse sagedusest. 2.Mida tähendab valguse dualism? Vastus: Valgust võib vaadelda nii laine kui osakesena. Difraktsioon ja interferents Difraktsioon- lainete kandumine teele jäävate tõkete taha. Näiteks veelained jõuavad vees oleva kivi taha ja kanduvad avade läbimisel varju piirkonda.
Dielektrikud täielikult täidetud ja päris tühjad energiatsoonid ning keelutsooni ala on piisavalt lai (5 eV) Pooljuhid keelutsoon on kitsas (1-3 eV), elektrontsoonid on täielikult täidetud või tühjad 8. Pooljuhi elektrijuhtivust saab suurendada, kui tõsta temperatuuri (juhtivustsooni satub rohkem elektrone ja valentstsooni jääb ka rohkem auke) või neid valgustada (footonite energia peab ületama keelutsooni energia sisefotoefekt ehk fotojuhtivus) 9. Lisandjuhtivus, doonor- ja akseptorlisand Lisandjuhtivus pooljuhtide lisanditest tingitud elektrijuhtivus Doonorlisand pooljuhi võres olev lisand loovutab elektroni (n-pooljuht) Aktseptorlisand pooljuhi võres olev lisand loovutab ,,auke" (p-pooljuht) Doonornivoo keelutsoonis asetsev elektronidega täidetud nivoo, kust elektronid saavad minna juhtivus- või valentstsooni
ta võib sealt lahkuda. Footon teebki sel juhul väljumistöö A. Fotoefekti punapiir. Einsteini võrrandist on näha, et fotoefekt saab esineda vaid juhul kui h·f > 0, st kui footonil jätkub energiat väljalöömise tööks või on seda ülegi. Piirsagedust fp, mille puhul h f p = A , st fotoefekt võib toimuda, nimetatakse fotoefekti punapiiriks või ka pikalainepiiraks. Fotoefekti liike on kolm. Siin esitatut nimetatakse välisfotoefektiks. Esinevad veel ka sisefotoefekt (pooljuhtseadmetes) ja tõkkekihtfotoefekt (päikesepatareides).
Kordamisküsimused 12. kl. füüsika 2. kontrolltööks teemal AATOMI EHITUS. Tean: fotoefekt (sise- ja välis) – elektronide väljalöömine ainest valguse toimel. Sisefotoefekt on niisugune valguse vm elektromagnetkiirguse põhjustatud nähtus, mis tekib tahkes aines, harilikult pooljuhis, kui selles neelduvate footonite energia ületab aine aatomi keelutsooni laiuse. Sisefotoefekti kirjeldavad põhimõisted on fotojuhtivus ja fotogalvaaniline efekt. Sisemises liiguvad footonid aine sees, aga välisel tulevad ainest välja. Kui footonite energia on piisav tekitamaks juhtivuselektrone, mis suudavad
kus peaksid tegelikult olema elektronid Siirdel hakkab toimuma laengukandjate vahetus. N-osas on hulk elektrone, millel puudub kristallvõres sobiv koht. Need kohad on olemas aga kõrvalolevas p-osas (e seal on positiivne laeng). • Kuidas saab valgusest elektrit ja elektrist valgust: Valgusest elektrit - fotoefekt (päikesepatareid): Välisfotoefekt - valguse toimel lüüakse elektronid ainest välja(elektromagnetlained sisenevad ainesse); (sisefotoefekt – valgus ei väljasta elektrone ainest täielikult, vaid annab võimaluse liikuda neil aines teise kohta.) Elektrist valgust - lamp (lambist) - elekter ergastab aatomeid, aatomid hüppavad kõrgemale energiatasemele ja kiirgavad välja valguskvante e valgust. • Trafo füüsikaline sisu: seadeldis pinge muundamiseks (vahelduvvooluga ainult!!) • Staatiline elekter: Staatiline elekter tekib kahe materjali hõõrdumisel (nt elektrilöök ukselingilt, teiselt inimeselt). Nende
Muutes katoodi materjale leidsi Stoletov, et sama kiirgus sageduse puhul on fotovool erinevate materjalide puhul erinev. -Fotoefekti punane piir sõltub üksnes elektroodi materjalist, ega sõltu kiirguse intensiivsusest Katoodist väljunud elektronide arv on võrdeline valgusvooga. Ik ~ fii Suur osa kvantide energiast läheb valgust neelava aine soojendamiseks ja ainult väike osa fotoelektronidele. Peale käsitletud välisfotoefekti on olemas ka sisefotoefekt, mida täheldatakse dielektrikutes ja pooljuhtides. Siin toimub elektronide ümberpaiknemine valentsitsoonist juhtivustsooni. Esimesel tekib auk-, teisel elektronfotojuhtivus. Sisefotoefektil põhineb nn. fototakistite töötamise põhimõte.Moodustuvate laengukandjate arv on võrdeline langeva valgusvoo suurusega.Fototakisteid kasutatakse fotomeetrias ning paljudes automaatika skeemides. Mõnikümmend järjestikku lülitatud räni pn siiret moodustavad juba nn.päikesepatarei.
Sellest tulenebki nende võime osaliselt elektrit juhtida. 39. Kirjelda aukjuhtivust? Aukjuhtivus on valentsitsooni elektronide võime täita valentstsooni auke, mis on tekkinud elektronide siirdumisel valentstsoonist juhtivustsooni. Näiteks kristallis haarab ioniseeritud aatom kaotatud elektroni asemele naabri oma, see omakorda järgmise jne. auk on positiivse laenguga ja triivib vooluallika negatiivse vooluse poole. 40. Mis on sisefotoefekt ehk fotojuhtivus? Sisefotoefekt ehk fotojuhtivus on täiendavate voolukandjate vabastamine pooljuhis valgustamise abil, aga ainult siis kui footonite energia ületab keelutsooni laiuse. 41. Milline pooljuhi juhtivuse tõstmiseks lisatav lisand on doonor, milline aktseptor? Doonor on pooljuhi elektrone loovutav lisand ja aktseptor on aukjuhtivusega pooljuhi lisand. 42. Mis on transistor ja milleks seda kasutatakse? Transistor on kahe dioodi ühend, kusjuures dioodidel on ühine p-poole või n-poole.
Esimesel juhul on tegemist välisfotoefektiga, teisel juhul sisefotoefektiga. Elektroonika alused. Teema 4 Optoelektroonika elemendid ja infoesitusseadmed 2 (43) Joonis 4.1. Elektromagnetiline spekter [http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum] 4.2 Valgustundlikud seadised Valgustundlike seadiste töö põhineb sise- või välisfotoefektil. 4.2.1 Fotoefekti liigid Sisefotoefekt (sisemine fotoefekt) on elektromagnetkiirguse mõjul toimuv elektronide energiatasemete ümberjaotumine pooljuhtides ja dielektrikutes, mis avaldub fotojuhtivuse või fotoelektromotoorjõu kaudu. Fotojuhtivus on aine elektrijuhtivuse muutumine optilise kiirguse (elektromagnetkiirguse) toimel. Fotojuhtivust põhjustab elektromagnetkiirguse Elektroonika alused. Teema 4 Optoelektroonika elemendid ja infoesitusseadmed 3 (43)
A. Stoletovi seadused: -valguse toimel eralduvad laengud on negatiivsed. suurim mõju on ultravioletvalgusel. kehast eraldunud laengu suurus on võrdeline neeldunud valgusenergia hulgaga s.o kvantide arvuga. Katoodist väljunud elektronide arv on võrdeline valgusvooga. Ik Ik- elektronide arv - valgusvoog Suur osa kvantide energiast läheb valgust neelava aine soojendamiseks ja ainult väike osa fotoelektronidele.Peale käsitletud välisfotoefekti on olemas ka sisefotoefekt, mida täheldatakse dielektrikutes ja pooljuhtides. Siin toimub elektronide ümberpaigutamine valentsitsoonist juhtivustsooni. Esimesel tekib auk-, teisel elektronfotojuhtivus. Sisefotoefektil põhineb nn. fototakistite töötamise põhimõte. Moodustuvate laengukandjate arv on võrdeline langeva valgusvoo suurusega. Fototakisteid kasutatakse fotomeetrias ning paljudes automaatika skeemides.
pidurduspingega Up. A. Stoletovi seadused: -valguse toimel eralduvad laengud on negatiivsed. suurim mõju on ultravioletvalgusel. kehast eraldunud laengu suurus on võrdeline neeldunud valgusenergia hulgaga s.o kvantide arvuga. Katoodist väljunud elektronide arv on võrdeline valgusvooga. I k Ik- elektronide arv - valgusvoog Suur osa kvantide energiast läheb valgust neelava aine soojendamiseks ja ainult väike osa fotoelektronidele.Peale käsitletud välisfotoefekti on olemas ka sisefotoefekt, mida täheldatakse dielektrikutes ja pooljuhtides. Siin toimub elektronide ümberpaigutamine valentsitsoonist juhtivustsooni. Esimesel tekib auk-, teisel elektronfotojuhtivus. Sisefotoefektil põhineb nn. fototakistite töötamise põhimõte. Moodustuvate laengukandjate arv on võrdeline langeva valgusvoo suurusega. Fototakisteid kasutatakse fotomeetrias ning paljudes automaatika skeemides.
A. Stoletovi seadused: -valguse toimel eralduvad laengud on negatiivsed. –suurim mõju on ultravioletvalgusel. –kehast eraldunud laengu suurus on võrdeline neeldunud valgusenergia hulgaga s.o kvantide arvuga. Katoodist väljunud elektronide arv on võrdeline valgusvooga. I k Ik- elektronide arv Φ- valgusvoog Suur osa kvantide energiast läheb valgust neelava aine soojendamiseks ja ainult väike osa fotoelektronidele.Peale käsitletud välisfotoefekti on olemas ka sisefotoefekt, mida täheldatakse dielektrikutes ja pooljuhtides. Siin toimub elektronide ümberpaigutamine valentsitsoonist juhtivustsooni. Esimesel tekib auk-, teisel elektronfotojuhtivus. Sisefotoefektil põhineb nn. fototakistite töötamise põhimõte. Moodustuvate laengukandjate arv on võrdeline langeva valgusvoo suurusega. Fototakisteid kasutatakse fotomeetrias ning paljudes automaatika skeemides.
Pooljuhte saab kasutada termoandurites termistorides, mis on eriti tundlikud ja kiire reaktsiooniajaga. Metallides laengukandjate arv ei muutu, kuid kiirenenud soojusliikumine suurendab märgatavalt metalli takistust elektrivoolule. Pooljuhtides korvab laengukandjate lisandumine soojusliku mõju. Pooljuhis tekivad vabad laengukandjad ka valguse toimel. Selleks peab valgustava kiirguse footonite energia ületama keelutsooni laiuse. Joonisel tähistab seda lai punane nool. See on nn. Sisefotoefekt e. fotojuhtivus,mis leiab rakendust fototakistites. Nähtava valguse lainepikkus on vahemikus 400-700nm ja vastavate footonite energia 3,1 1,8 eV. Toodud energiavahemikust piisab siireteks metallide (2-3eV) pooltühjas juhtivustsoonis tasemete vahel. Energia on piisav ka pooljuhi 1eV vahemiku ületamiseks. Küll ei piisa sellest aga dielektrikute 5 10 eV keelutsooni ületamiseks. Vt. Joonis slaidil 45.
Footon teebki sel juhul väljumistöö A. Fotoefekti punapiir. Einsteini võrrandist on näha, et fotoefekt saab esineda vaid juhul kui h·f > 0, st kui footonil jätkub energiat väljalöömise tööks või on seda ülegi. Piirsagedust f p, mille puhul h f p = A , st fotoefekt võib toimuda, nimetatakse fotoefekti punapiiriks või ka pikalainepiiraks. Fotoefekti liike on kolm. Siin esitatut nimetatakse välisfotoefektiks. Esinevad veel ka sisefotoefekt (pooljuhtseadmetes) ja tõkkekihtfotoefekt (päikesepatareides). 5. kursus AINE STRUKTUUR Aatomifüüsika Bohri aatomimudel. 1911 esitas Ernest Rutherford aatomi planetaarse mudeli, millega kaasnesid kohe raskused. 1913 esitas Nils Bohr aatomimudeli, mis osutus vahepealseks üleminekumudeliks mehhanistlikult mudelilt tänapäevasele aatomimudelile. Bohri aatomimudelis on positiivne tuum, nagu Rutherfordi mudeliski, aga elektronid saavad viibida vaid kindlatel, nn statsionaarsetel
Footon teebki sel juhul väljumistöö A. Fotoefekti punapiir. Einsteini võrrandist on näha, et fotoefekt saab esineda vaid juhul kui h·f > 0, st kui footonil jätkub energiat väljalöömise tööks või on seda ülegi. Piirsagedust f p, mille puhul h f p = A , st fotoefekt võib toimuda, nimetatakse fotoefekti punapiiriks või ka pikalainepiiraks. Fotoefekti liike on kolm. Siin esitatut nimetatakse välisfotoefektiks. Esinevad veel ka sisefotoefekt (pooljuhtseadmetes) ja tõkkekihtfotoefekt (päikesepatareides). 5. kursus AINE STRUKTUUR Aatomifüüsika Bohri aatomimudel. 1911 esitas Ernest Rutherford aatomi planetaarse mudeli, millega kaasnesid kohe raskused. 1913 esitas Nils Bohr aatomimudeli, mis osutus vahepealseks üleminekumudeliks mehhanistlikult mudelilt tänapäevasele aatomimudelile. Bohri aatomimudelis on positiivne tuum, nagu Rutherfordi mudeliski, aga elektronid saavad viibida vaid kindlatel, nn statsionaarsetel
5.5.2. Valgusenergia kasutamine Valgusenergiat saab muuta vahetult nii soojusenergiaks kui elektrienergiaks. Kõik me teame, et Päikese käes on soojem kui varjus. Põhjus on selles, et valgusenergia neeldub meie kehas või riietes. Selle energia arvel hakkavad kiiremini liikuma meie keha molekulid ja see suurendab keha siseenergiat, mis avaldub temperatuuri tõusus. Kuid valgust saab muuta vahetult ka elektrienergiaks. Selle muutuse aluseks on sisefotoefekt, mis seisneb elektroni vabastamises pooljuhi aatomist (keemilisest sidemest) valguse toimel. Tekkinud elektron on vaba ja saab pooljuhis liikuda (difundeeruda). Samuti saab liikuda ka tekkinud auk. Selline vabade laengukandjate tekkimine vähendab pooljuhi elektritakistust. Kui sellise liikumise tulemusena eralduks elektronid ühte pooljuhi piirkonda ja augud teise, oleks meil vooluallikas olemas. Ühe pooljuhtmaterjali korral pole see võimalik. Küll aga kahe erinevat tüüpi juhtivusega
annaabi.ee 
