ДЕ ПРАЦЮЄ СВІТЛО НА ЗЕМЛІ? ФОТОЕФЕКТ

З усіх використовуваних на Землі джерел світла єдиним безкоштовним, найбільшим і найголовнішим є Сонце. У кожному розділі ми неодноразово розглядатимемо роль сонячного випромінювання в тих чи тих процесах і явищах.

Почнімо з явища, завдяки якому було з’ясовано його квантову природу. Це явище — фотоефект. Фотоефект відкрив Генріх Герц (1857—1894, Німеччина), коли проводив досліди з генерування електромагнітних хвиль. Зауважимо, що він відкрив багато фізичних ефектів, більшу частину яких пояснити не зміг. Іронія долі в тому, що під час доведення існування електромагнітних хвиль Герц ненавмисно зробив відкриття, яке першим завдало удару по його хвильовій теорії світла. Розберімося по порядку.

Суть фотоефекту в тому, що світло може «вибивати» з деяких речовин/ матеріалів електрони (мал. 6.8).

Мал. 6.8. Явище фотоефекту: вибивання світлом електронів

З’ясуймо, які умови потрібні, щоб відбувався фотоефект і, найголовніше, у чому ж виникли суперечності між хвильовою теорією світла та реальними дослідними даними.

З огляду на хвильову природу світла є підстави стверджувати: що більша освітленість поверхні зразка, то більше енергії йому передається, то більшою має бути швидкість вибитих фотоелектронів (на прикладі механічних хвиль: що більша амплітуда хвилі прибою, то далі на берег вона викине пляшку із запискою).

У дослідах зі світлом виявлено, що швидкість фотоелектронів залежить від частоти (кольору) світла, а від ступеня освітленості зразка залежить кількість фотоелектронів. Більше того, якщо частоту світла плавно зменшувати (колір зміщувати в бік червоного), то настає момент, коли світло взагалі не може вибити з речовини жодного електрона навіть за підвищеної освітленості. Цю граничну частоту називають червоною межею фотоефекту. З огляду на хвильову теорію світла такий факт взагалі неможливий.

З подібною проблемою зіткнувся й Макс Планк (1858—1947, Німеччина), коли намагався теоретично обчислити частку енергії випромінювання Сонця, що припадає на будь-який з кольорів веселки. Планк спирався на хвильову теорію світла. З його розрахунків витікало, що зі збільшенням частоти енергія випромінювання має зростати. Висновок був такий, що в ультрафіолетовому діапазоні, де частота дуже велика, Сонце випромінює таку немислимо гігантську енергію, що давно мало б згаснути. Колега-фізик Джеймс Джинс (1877—1946, Велика Британія) іронічно назвав отриманий Планком результат «ультрафіолетовою катастрофою». Однак Планку було не до сміху. У відповідь він висунув ідею, що атоми випромінюють світлові хвилі не безперервно, а порціями (квантами), при цьому енергія кванта залежить тільки від його частоти. Альберт Ейнштейн пішов ще далі. Припустивши, що світло не тільки випромінюється, а й поширюється у вигляді частинок — фотонів, він легко пояснив особливості фотоефекту (чим накликав на себе немилість Генріха Герца й отримав нобелівську премію з фізики. До речі, за його карколомну теорію відносності премію він не отримав, настільки в ті часи вона видавалася революційною).

Відповідно до пояснень Ейнштейна, один фотон вибиває один електрон, а кількість фотонів пропорційна освітленості поверхні. Якщо частота фотона більша за частоту червоної межі, фотон може вибити електрон із зразка. Якщо світло монохроматичне (не біле, а якогось фіксованого кольору), всі фотони мають однакову енергію, а отже, всі вибиті електрони будуть мати однакову швидкість, незалежно від ступеня освітленості.

У металах завжди багато вільних електронів, які й «вибиваються» з поверхні під дією світла. Проте більш цікавий фотоефект у напівпровіднику, наприклад, у кристалі силіцію, де вільних електронів небагато. Тут процес відбувається у два етапи. Спочатку фотон вибиває електрон з атома силіцію у вузлі кристалічних ґраток. Якщо енергія фотона досить велика, електрон відразу вилітає з кристала й спостерігають зовнішній фотоефект. Якщо ні, електрон залишається всередині, однак при цьому змінюються електричні властивості напівпровідника. Можна підібрати такий напівпровідник, що він буде чутливим до інфрачервоного випромінювання. При цьому опір кристала різко падає, а струм у колі, до якого підімкнуто напівпровідник, зростає. На цьому принципі заснована робота інфрачервоних датчиків, пультів управління телевізором, ракетних снарядів самонаведення, а також інфрачервоних окулярів та біноклів.

Відкриття явища фотоефекту мало велике значення для ліпшого розуміння природи світла. Та цінність науки полягає не лише в тім, що вона з’ясовує складну та багатогранну будову навколишнього середовища, а й у тім, що наука дає нам засоби, за допомогою яких можна вдосконалювати виробництво, поліпшувати умови матеріального й культурного життя. Широкого практичного використання набули напівпровідникові фотоелементи з внутрішнім фотоефектом — фотоопори (фоторезистори), фотодіоди, сонячні батареї (мал. 6.9).

Мал. 6.9. Фотоефект у дії

Сонячна енергетика може мати свої недоліки та певні обмеження в порівнянні з традиційними енергетичними ресурсами, такими як вугілля, нафта і газ. Немає жодних сумнівів, що фотовольтаїка перебуває в тренді багатьох розвинених країн — особливо в Китаї, Японії, Німеччині та США, що роблять величезні інвестиції в будівництво сонячних електростанцій. Дослідження показують, що якщо нинішні темпи зростання збережуться, то до 2020 р. близько 10 % електроенергії у світі може бути отримано за допомогою сонячної енергетики. Тисячі фотоелектричних панелей, які часто охоплюють кілометри пустелі, символізують майбутнє альтернативної енергетики.

Завдяки фотоефекту стала можливою поява цілого ряду цифрової електроніки — фотоапарати, відеокамери, електронні телескопи, мікроскопи. Тому наступного разу, коли ви візьмете до рук свою ультрасучасну фотокамеру, обов’язково згадайте про те, що якби не робота всесвітньо відомого фізика ХХ ст., то нічого цього могло б і не бути.