Фотоэффект – это штука довольно распространенная. Любая современная солнечная панель работает благодаря тому, что существует фотоэффект.
И если вы спросите любого человека на улице, что такое фотоэффект, то скорее всего он ответит вам на вопрос очень односложно. Фотоэффект это когда свет выбивает электроны из строения материала и таким образом провоцируется появление электрического тока. Давайте попробуем немножко углубиться в дебри для того, чтобы отойти от этого стандартного понимания, что простое выбивание электронов из структуры может привести к появлению электрического тока.
Да, электрический ток в этом случае тоже может появиться, но на самом деле фотоэффект эта штука немного более сложная, чем кажется на первый взгляд. Само собой, все это напрямую связано со строением атома. И еще сразу полезно отметить, что существует внутренний фотоэффект, внешний фотоэффект, ядерный фотоэффект и фотоэффект, который проявляет себя в газах посредством томонизации и так далее и тому подобное. Но обо всем по порядку.
В принципе в логике выбивания электронов из структуры материи нет ничего абсолютно неправильного. Этот подход имеет право существовать, но прежде чем про это говорить, нужно понимать, каким образом устроена сама материя. Мы помним, что у нас материя состоит из частичек. И проще всего все это свести к атому. Атомы у нас с вами имеют тоже некоторую конструкцию. И у атомов есть электроны.
А вот эти вот электроны, они как раз по современным представлениям являются носителями электрического тока в большинстве случаев. В некоторых случаях такими носителями могут становиться и другие объекты, но мы рассматриваем самый простой подход. И вот теперь странная получается ситуация, что мы с вами выбиваем электроны и у нас появляется электрический ток. На самом деле всё немного интереснее, чем это кажется на первый взгляд. Я уже много раз говорил в рамках основных роликов на канале, что на уровне частичек работают немного другие закономерности.
И этот уровень частичек, он предполагает немножко другой подход к вопросу. Всё это я говорю к тому, что мы не можем применить простую макромодель, которая заключается в том, что одни мячики выбивают другие мячики, и быть полностью уверенными, что мы всё правильно характеризовали. Для начала вспомните, что такое свет.
Свет — это всё-таки энергия. И фотоны — это всё-таки не мячики, которые летят в другое тело, не мячики, которые будут выбивать части другого тела и не какие-то там шарики. Фотоны — это некоторый пакет энергии, который при некоторых условиях обладает ещё и корпускулярными свойствами. И вот тот самый фотон, он как раз-таки несёт в себе энергию. Когда у нас фотон достигает материала и начинает с ним взаимодействовать, то это тоже не простой удар мячиком о стенку, это гораздо более глубокий процесс.
Фотон попадает на материал, в материале есть атомы, у атомов, как мы выяснили, есть некоторая структура и у атомов есть внешняя электронная оболочка. Эта электронная оболочка состоит из электронов, которые ведут свой обычный, обыденный образ жизни. В простом случае они колеблются где-то рядом с атомом, они где-то там вращаются, слово вращаются, кстати, неуместно, потому что, как таковая вот эта вот модель Резерфорда, она уже сильно устарела и никакого вращения электронов на самом деле не существует.
Лучше говорить, что электроны беспорядочно движутся где-то рядом с ядром атома. И вот пока у нас где-то электроны свободно пасутся и никого не трогают, все у нас существует в том виде, в котором есть. Но вот прилетает нам некоторый пакет фотонов, прилетает некоторое количество энергии и происходит интересный эффект. У нас электроны внутри тела начинают переходить в новое состояние. Как вы помните из курса химии, электроны расположены от атома на некотором расстоянии. Это расстояние подразумевает орбиты.
Сами по себе орбиты тоже довольно устаревшая штука, которая появилась еще из модели атома Резерфорда. И вот эта вот модель атома Резерфорда предполагала, что электроны вращаются по орбитам на некотором расстоянии от ядра атома. Мы сказали, что это не важно, но расстояние до ядра атома все так же остается важным показателем и все так же демонстрирует некоторый потенциал, который есть у системы.
И вот когда у нас у электронов вокруг атома есть некоторая, ну скажем так, стандартная энергия свободного состояния, эти электроны продолжают существовать в том виде, в котором они есть. Когда этот атом впитывает энергию, когда энергия в виде фотона поступает, электроны начинают перемещаться по этим энергетическим уровням. Когда электроны перемещаются по энергетическим уровням, происходит тоже очень интересное явление. Они начинают обмениваться энергией. Обмениваться энергией тоже в виде обменного фотона.
И вот по большому счету здесь тоже бы стоило провести параллель с процессом отражения, или с процессом, даже лучше сказать, прохождения света через прозрачное тело, потому что там всегда есть стандартная характерная ошибка. Многие, насмотревшись вот картинок в учебниках, что свет упал на прозрачное тело, прошел его насквозь и вышел там под каким-то углом, представляют себе, что луч света действительно проходит через прозрачный объект, действительно проходит его насквозь, действительно выходит под каким-то углом.
Но луч света не является какой-то материальной штукой, луч света не является прямой и не является отрезком прямой, луч света не является указкой или какой-то железной спицей, луч света – это набор энергии.
Поэтому, когда у нас свет проходит через, например, стекло или через какой-то прозрачный объект, это подразумевает, что энергия в виде фотонов попала на структуру материала, материал начал эту энергию переизлучать, а ближе к выходу эта энергия вышла в виде нового потока фотонов.
Вот эта логика напрямую подходит нам, когда мы говорим про фотоэффект. Здесь у нас энергия не выходит с той стороны, а она рассеивается внутри нашего материала, который подвержен фотоэффекту, и она таким образом превращается в электрическую энергию.
Что такое электрический ток? Этот вопрос очень запутанный и сложный. Но проще всего описывать электрический ток как некоторые движения электронов. Электроны при этом чаще всего пульсируют у своих собственных атомов, а в некотором случае электроны начинают переходить по всему проводнику.
Эти немного запутанные представления порой приводят к тому, что у человека возникает лишь один вопрос, а почему электроны в проводнике не кончаются? Мы про это, кстати говоря, уже обсуждали этот момент и про это был ролик и смысл там простой, что фактически это не одни и те же электроны, это всегда разные электроны, которые появляются из того или иного источника. Но не будем сейчас в это углубляться, вернёмся к фотоэффекту. Свет будет заставлять электроны двигаться интенсивнее.
Интенсивное движение электронов приведёт к тому, что будет формироваться, что? Правильно, электрический ток, ведь электрический ток это упорядоченное направленное движение заряженных частиц. Нам не обязательно, чтобы эти частицы бежали по проводнику, но достаточно, чтобы они пульсировали. И вот это вот пульсирование, оно как раз приведёт к тому, что система будет работать. Здесь был бы совершенно правильный вопрос, а почему не расходуется солнечная батарейка?
Ну, во-первых, солнечная батарея, солнечные панели, они, скажем так, расходуются, они устаревают, и это нормальное явление. Но расходование заключается не в том, что у нас за один раз оттуда все электроны улетели, а в том, что у нас с вами деградирует структура материала. Деградация структуры материала, которая напоминает вырождение проводников Заключается в том, что сами по себе атомы меняют свои составы Нарушаются связи И неизбежно происходит какое-либо ухудшение и деградация структуры Но это не совсем то же самое, что моментальное выливание этих электронов Которое заставило бы солнечную батарейку потратиться там за час работы И вот когда у нас фотон попадает в структуру системы структуру материи, с которой сделан фотоэлемент, он заставляет электроны интенсивно двигаться.
Интенсивное движение и порождает электрический ток. Интенсивное движение это и перепрыгивание с места на место, это и постоянные вибрации и пульсации, и постоянное движение. По сути дела здесь надо было бы представлять это для себя не как какую-то штуку, где качаются мячики, не как какие-то материальные объекты, которые катятся по трубе, летят по трубе.
Вот это все надо было бы опустить. Если вы уж хотите привести для себя какую-то логичную и понятную макроаналогию фотоэффекта, то представьте себе пружинный диван. Когда у нас поступает некоторая механическая энергия, диван начинает складываться. Помните эти старые сидения в метро? Я не знаю, может вы их еще не застали, может быть помните. Вот эти мягкие, которые вот так вот прыгают, когда сидишь. Довольно приятные, довольно уютные и как-то приятно про них вспоминать почему-то.
И вот эти вот мягкие сидения, пружинные, в метро, они прекрасно иллюстрируют то, что происходит в структуре при попадании туда фотона. Вот в случае, когда у нас работает фотоэффект, фотон у нас раскачивает структуру примерно так же, как раскачивает механическая энергия в структуру пружинного дивана. Но на самом деле даже при таком подходе макроаналогии лучше всё-таки не использовать, потому что любой специалист вам скажет, что вы не правы, он обязательно куда-то придерётся и наверняка скажет, что вы не так себе представляете это явление.
Тем не менее, не будет большой ошибкой сказать, что явление фотоэффекта заключается в том, что при попадании света на некоторый объект он начинает генерировать электрический ток. И вот, наверное, это будет самое простое и правильное объяснение того, чем является фотоэффект.
А может ли фотон выбивать электрон? Да, конечно может. И именно это вы видите чаще всего на схемах. Только процесс того самого выбивания подчиняется характеристикам, которые мы сейчас с вами рассмотрели. Это не прямое классическое механическое выбивание одного объекта другим, а сложное квантово-механическое явление. Процесс поглощения фотонов при этом сопровождается испусканием электронов поверхностью. Это тоже будет фотоэффектом.
Ну и да, внутренний, внешний, ядерный и так далее, я думаю, что вы уже догадались, что типы фотоэффекта вот эти вот, исходя из названий, подразумевают разные точки выхода электронов. Впрочем, вы сейчас можете оправданно спросить, что если всё так здорово, то каким образом всё это работает, когда мы говорим про внешний фотоэффект, который подразумевает выход электрона из рассматриваемого тела, из рассматриваемого материала, из материала батарейки.
На самом деле здесь все упирается в еще более сложный вопрос, который заключается, ну скажем так, в превращении фотона в электрон. Это одна большая тема, которая подразумевает рассмотрение в рамках нашего основного вот этого вот цикла лекций в нашем, скажем так, основном формате. Потому что вопрос очень сложный и в простые понятия он уже, ну скажем так, не особо вкладывается. Просто исходите из самого простого. В некоторых случаях фотон превращается в электрон.
И, наверное, это будет самым простым и правильным ответом на вот этот вот сложный вопрос. Ну, а я надеюсь, что вам все было понятно. Если какие-то вопросы остались, напомню, что у нас есть дополнительное занятие. И вообще все полезные ссылочки есть в описании к ролику. Советую им пользоваться, там много чего вам может пригодиться. Всем спасибо за внимание, надеюсь, было интересно и понятно. До новых встреч и всего самого хорошего!
Ролик по теме здесь https://youtu.be/ZyNGWIxpAcE
Поделиться:
