МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я УКРАЇНИ
ЛУГАНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра мед. кібернетики, біофізики та мед. апаратури
Реферат на тему:
«Фотоефект та його застосування в медицині»
Виконавець: студент I курсу 28 групи лікувального факультету
Хуртін І.С.
Керівник: Деркач Л.С.
ЛУГАНСЬК 2002

ПЛАН

Введення. 3
Визначення фотоефекту. 6
Види фотоефектів. 6
Рівняння Ейнштейна. 8
Застосування фотоефекту в медицині. 10
Висновок. 15
Список використаних джерел. 16

Введення

У 1887 р. німецький фізик Генріх Герц експериментував з розрядником для випромінювання електромагнітних хвиль - парою металевих куль; при додатку різниці потенціалів між ними проскакувала іскра. Коли ж він висвітлював одна з куль ультрафіолетовими променями, розряд посилювався. Таким чином, був виявлений зовнішній фотоефект.
У 1888 р. Вільгельм Гальвакс встановив, що опромінена ультрафіолетовим світлом металева пластинка заряджається позитивно. Так сталося друге відкриття фотоефекту. Третім, не знаючи про досліди Герца і Гальвакса, його спостерігав в тому ж році італієць Аугусто Риги. Він з'ясував, що фотоефект можливий і в металах, і в діелектриках. Олександр Григорович Столєтов був четвертим вченим, незалежно від інших відкрив фотоефект. Він два роки досліджував нове явище і вивів його основні закономірності. Виявилося, що сила фотоструму, по-перше, прямо пропорційна інтенсивності падаючого світла, а по-друге, при фіксованій інтенсивності опромінення спочатку росте в міру підвищення різниці потенціалів, але, досягнувши певного значення (струм насичення), вже не збільшується.
У 1899 р. німець Філіп Ленард і англієць Джозеф Томсон довели, що падає на металеву поверхню світло вибиває з неї електрони, рух яких і призводить до появи фотоструму. Проте зрозуміти природу фотоефекту за допомогою класичної електродинаміки так і не вдалося. Незрозумілим залишалося, чому фотострум виникав лише тоді, коли частота падаючого світла перевищувала суворо визначену для кожного металу величину.
Тільки в 1905 р. Ейнштейн перетворив цю загадку в абсолютно прозору картину. Він припустив, що електромагнітне випромінювання не просто випускається порціями - воно і поширюється в просторі, і поглинається речовиною теж у вигляді порцій - світлових квантів (фотонів). Тому для виникнення фотоефекту важлива аж ніяк не інтенсивність падаючого світлового пучка. Головне, чи вистачає окремому світловому кванту енергії, щоб вибити електрон з речовини. Мінімальну енергію, необхідну для цього, називають роботою виходу А. У підсумку Ейнштейн вивів рівняння фотоефекту.
Ясно, що фотоефект може викликати тільки світлова хвиля досить високої частоти, а сила фотоструму пропорційна інтенсивності поглиненого світла, тобто числа фотонів, здатних вибити електрони з речовини. У 1907 р. Ейнштейн зробив ще одне уточнення квантової гіпотези. Чому тіло випромінює світло тільки порціями? А тому, відповідав Ейнштейн, що атоми мають лише дискретний набір значень енергії. Таким чином, теорія випромінювання і поглинання прийняла закінчений вигляд.
У 1922 р. американець Артур Комптон виявив, що довжина хвилі рентгенівського випромінювання змінюється при розсіянні на електронах речовини. Але, за класичної електродинаміки, довжина світлової хвилі при розсіюванні мінятися не може! Тоді Комптон виконав розрахунок, припустивши, що на електронах розсіюються не хвилі, а частки (фотони). Результат збігся з експериментальним. Це стало прямим доказом реальності існування фотонів.

Визначення фотоефекту

Фотоелектричним ефектом (фотоефектом) називають групу
явищ, що виникають при взаємодії світла з речовиною і
полягають або в емісії електронів (зовнішній фотоеф-
фект), або в зміні електропровідності речовини або
виникненні електрорушійної сили (внутрішній фотоеф-
фект).
У фотоефекті виявляються корпускулярні властивості світла.
У 1888 Гальвакс показав, що при опроміненні ультрафіолетовим світлом електрично нейтральної металевої пластинки остання набуває позитивний заряд. У цьому ж році Столєтов створив перший фотоелемент і застосував його на практиці, потім він встановив пряму пропорційність сили фотоструму інтенсивності падаючого світла. У 1899 Дж. Дж. Томпсон і Ф. Ленард довели, що при фотоефекті світло вибиває з речовини електрони.

Види фотоефектів

Виділяють три основні види фотоефектів: внутрішній, зовнішній і вентильний.
Зовнішній фотоефект спостерігається в газах на окремих атомах і молекулах (фотоіонізація) і в конденсованих середовищах.
Зовнішній фотоефект у металі можна уявити перебуваючи-
щим з трьох процесів: поглинання фотона електроном прово-
хідності, в результаті чого збільшується кінетична енергія
електрона; рух електрона до поверхні тіла; вихід елек-
трону з металу. Цей процес енергетично описують рівнянням Ейнштейна (див. нижче).
Якщо, висвітлюючи метал монохроматичним світлом, зменшувати частоту випромінювання (збільшувати довжину хвилі), то, починаючи з
деякого її значення, званого червоним кордоном; фото
ефект припиниться.
Експериментальні дослідження показали, що термін «червона межа» не означає, що грані-
ца фотоефекту обов'язково потрапляє в область червоного кольору.
Внутрішній фотоефект спостерігається при висвітленні напів-
провідників і діелектриків, якщо енергія фотона достатня
для, перекидання електрона з валентної зони в зону провідності,
У домішкових напівпровідниках фотоефект виявляється так-
ж у тому випадку, якщо енергія електрона достатня для пере-
викиду електронів в зону провідності з донорних домішкових
рівнів або з валентної зони на акцепторні домішкові рів-
ні. Так в напівпровідниках і діелектриках виникає фотоелектропроводімость.
Цікава різновид внутрішнього фотоефекту спостеріга-
дається в контакті електронного й діркового напівпровідників.
У цьому випадку під дією світла виникають електрони і дир-
ки, які поділяються електричним полем р-n-переходу;
електрони переміщаються в напівпровідник типу n, а дірки -
в напівпровідник типу р, При цьому між дірковим і електрон-
вим напівпровідниками змінюється контактна різниця потен-
ціалу в порівнянні з рівноважною, тобто виникає фотоелектро-
рушійна сила. Таку форму внутрішнього фотоефекту називаються
вають вентильним фотоефектом.
Він може бути використаний для безпосереднього перетворення енергії електромагнітного випромінювання в енергію елек-
тричних струму.

Рівняння Ейнштейна

Формулювання 1-го закону фотоефекту: кількість електронів, що вириваються світлом з поверхні металу за 1с, прямо пропорційно інтенсивності світла.
Згідно другому закону фотоефекту, максимальна кінетична енергія вириваються світлом електронів лінійно зросте з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.
Третя закон фотоефекту: для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла v ₀ (або максимальна довжина хвилі λ _0), при якій ще можливий фотоефект, і якщо v <V _0, то фотоефект вже не відбувається.
Перший закон пояснений з позиції електромагнітної теорії світла: чим більше інтенсивність світлової хвилі, тим більшій кількості електронів буде передана достатня для вильоту з металу енергія. Інші закони фотоефекту суперечать цій теорії.
Теоретичне пояснення цих законів було дано в 1905 Ейнштейном. Згідно з ним, електромагнітне випромінювання представляє собою потік окремих квантів (фотонів) з енергією hv кожен (h-стала Планка). При фотоефекті частина падаючого електромагнітного випромінювання від поверхні металу відбивається, а частина проникає всередину поверхневого шару металу і там поглинається. Поглинувши фотон, електрон отримує від нього енергію і, роблячи роботу виходу, покидає метал:
hv = A + mv ² / ^2,
де mv ² -Максимальна кінетична енергія, яку може мати електрон при вильоті з металу. Вона може бути визначена:
mv ² / ² = eU _3.
U ₃ - затримує напругу.
У теорії Ейнштейна закони фотоефекту пояснюються наступним чином:
Інтенсивність світла пропорційна числу фотонів у світловому пучку і тому визначає число електронів, вирваних з металу.
Другий закон випливає з рівняння: mv ² / ² = hv-A.
З цього ж рівняння випливає, що фотоефект можливий лише в тому випадку, коли енергія поглинутого фотона перевищує роботу виходу електрона з металу. Тобто частота світла при цьому повинна перевищувати деякий визначений для кожної речовини значення, рівне A> h. Ця мінімальна частота визначає червону кордон фотоефекту:
v _o = A / h y _o = c / v _o = ch / A.
При меншій частоті світла енергії фотона не вистачає для здійснення електроном роботи виходу, і тому фотоефект відсутня.
Квантова теорія Ейнштейна дозволила пояснити і ще одну закономірність, встановлену Столєтова. У 1888 Столєтов зауважив, що фотострум з'являється майже одночасно з освітленням катода фотоелемента. За класичною хвильової теорії електрону в полі світлової електромагнітної хвилі потрібен час для накопичення необхідної для вильоту енергії, і тому фотоефект повинен протікати з запізненням принаймні на кілька секунд. За квантової теорії ж, коли фотон поглинається електроном, то вся енергія фотона переходить до електрона і ніякого часу для накопичення енергії не потрібно.
З винаходом лазерів з'явилася можливість експериментувати з дуже інтенсивними пучками світла. Застосовуючи надкороткі імпульси лазерного випромінювання, вдалося спостерігати многофотонной процеси, коли електрон, перш ніж покинути катод, зазнавав зіткнення не з одним, а з кількома фотонами. У цьому випадку рівняння фотоефекту записується: Nhv = A + mv ² / ^2, чому відповідає червона межа.

Застосування фотоефекту в медицині

Електровакуумні або напівпровідникові прилади, принцип роботи яких заснований на фотоефекті, називають фотоелектронним. Розглянемо пристрій деяких з них.
Найбільш поширеним фотоелектронним приладом є фотоелемент. Фотоелемент, заснований на зовнішньому фотоефекті, складається з джерела електронів - фотокатода К, на який потрапляє світло, і анода А.
Вся система укладена в скляний балон, з якого відкачано повітря. Фотокатод, що представляє собою фоточутливий шар, може бути безпосередньо завдано на частину внутрішньої поверхні балона. На малюнку дана схема включення фотокатода в ланцюг.
Рис. 1.
Для вакуумних фотоелементів робочим режимом є режим насичення, якому відповідають горизонтальні ділянки ВАХ, отриманих при різних значеннях світлового потоку (рис. 2).
Рис. 2.
Основний параметр фотоелемента - його чутливість, що визначається відношенням сили фотоструму до відповідного світлового потоку. Ця величина в вакуумних фотоелементах досягає значення близько 100 мкА / лм.
Для збільшення сили фотоструму застосовують також газонаповнені фотоелементи, в яких виникає несамостійний темний розряд в інертному
газі, і вторинну електронну емісію - випускання електронів, що відбувається в результаті бомбардування поверхні металу пучком первинних електронів. Останнє знаходить застосування в фотоелектронних помножувачі (ФЕП).
Схема ФЕУ наведена на рис. 3. Падаючі на фотокатод До фотони емітуючої електрони, які фокусуються на першому електроді (діноде) Е _1. У результаті вторинної електронної емісії з цього дінода вилітає більше електронів, ніж падає на нього, тобто відбувається як би множення електронів. Помножити на наступних дінодах, електрони в результаті утворюють посилений в сотні тисяч разів струм в порівнянні з первинним фотоструму.
Рис. 3.
ФЕУ застосовують головним чином для вимірювання малих променистих потоків, зокрема ними реєструють надслабких біолюмінесценцію, що важливо при деяких біофізичних дослідженнях.
На зовнішньому фотоефекті заснована робота електронно-оптичного перетворювача (ЕОП), призначеного для перетворення зображення з однієї області спектра в іншу, а також для посилення яскравості зображень. Схема найпростішого ЕОП наведена на рис. 4. Світлове зображення об'єкта 1, проектувати на напівпрозорий фотокатод К, перетворюється на
електронне зображення 2. Прискорені і сфокусовані електричним полем електродів Е електрони потрапляють на люмінесцентний екран Є. Тут електронне зображення завдяки катодолюминесценции знову перетвориться в світлове 3.
Рис. 4.
У медицині ЕОП застосовують для посилення яскравості рентгенівського зображення, це дозволяє значно зменшити дозу опромінення людини.
Якщо сигнал з ЕОП подати у вигляді розгортки на телевізійну систему, то на екрані телевізора можна отримати «теплове» зображення предметів. Частини тіла, що мають різні температури, різняться на екрані або кольором при кольоровому зображенні, або світлом, якщо зображення чорно-біле. Така технічна система, яка називається тепловізором, використовується в термографії.
Вентильні фотоелементи мають перевагу перед вакуумними, так як працюють без джерела струму. Один з таких фотоелементів - мідно-закисной - представлено на схемі рис. 5.
Рис. 5.
Мідна платівка, що служить одним з
електродів, покривається тонким шаром закису міді Сu ₂ О (напівпровідник). На закис міді наноситься прозорий шар металу (наприклад, золото Аu), який служить другим електродом. Якщо фотоелемент висвітлити через другий електрод, то між електродами виникне фото-е.р.с., А при замиканні електродів, в електричному ланцюзі піде струм, що залежить від світлового потоку.
Чутливість вентильних фотоелементів досягає декількох тисяч мікроампер на люмен.
На основі високоефективних вентильних фотоелементів з к.к.д., рівним 15% для сонячного випромінювання, створюють спеціальні сонячні батареї для живлення бортової апаратури супутників і космічних кораблів.
Залежність сили фотоструму від освітленості (світлового потоку) дозволяє використовувати фотоелементи як люксметри, що знаходить застосування в санітарно-гігієнічній практиці і при фотографуванні для визначення експозиції (у експонометра).
Деякі вентильні фотоелементи (сірчистої-талієву, германієвий та ін) чутливі до інфрачервоного випромінювання, їх застосовують для виявлення нагрітих невидимих ​​тіл, тобто як би розширюють можливості зору. Інші фотоелементи (селенові) мають спектральну чутливість, близьку до людського ока, це відкриває можливості використання їх в автоматичних системах і приладах замість ока як об'єктивних приймачів видимого діапазону світла.
На явищі фотопровідності засновано і явище фоторезистора.
Найпростіше фотосопротивлений (рис. 6) являє собою тонкий шар напівпровідника 1 з металевими електродами 2, 3 - ізолятор. Фотосопротивлений, як і фотоелементи, дозволяють визначати деякі світлові характеристики і використовуються в автоматичних системах та вимірювальної апаратури.
Рис. 6.

Висновок

Таким чином, фотоефект - це явище, пов'язане із звільненням електронів твердого тіла (або рідини) під дією електромагнітного випромінювання. Розрізняють:
1) зовнішній фотоефект - випускання електронів під дією світла (фотоелектронна емісія), випромінювання та ін;
2) внутрішній фотоефект - збільшення електропровідності напівпровідників або діелектриків під дією світла (фотопровідність);
3) вентильний фотоефект - збудження світлом електрорушійної сили на кордоні між металом і напівпровідником або між різнорідними напівпровідниками. Фотоіонізації газів іноді також називають фотоефектом.

Список використаних джерел

Література
1. Гіріцкій Є.В. Елементи квантової механіки. - К.: Освіта, 1988.
2. Дягілєв Ф.М. Квантова механіка. - М.: Просвещение, 1986.
3. Ремізов О.М. Медична біофізика. - М.: Вища школа, 1987. - С. 487 - 491.
4. Храмов Ю.А. Фізики. Біографічний довідник. - М.: Наука, Гл. редакція фізико-математичної літератури, 1983.
5. Енциклопедичний словник юного фізика. - М.: Педагогіка, 1991.
Web-sites
1. http://encyclop.by.ru/c/22/82.htm
2. http://archive.1september.ru/inf/2001/leto/stend/Glava.htm