Номер 24.4, страница 115 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Оптические явления. 24. Оптические явления в природе - номер 24.4, страница 115.

Условие.

24.4. Приведите примеры электрического действия света.

Решение.

Электрическое действие света — это совокупность явлений, в которых энергия световых квантов (фотонов) преобразуется в электрическую энергию или вызывает изменение электрических свойств вещества. Вот несколько примеров:

1. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект)

Это явление испускания электронов веществом под действием света (электромагнитного излучения). Существует несколько его разновидностей:

а) Внешний фотоэффект. Это вырывание электронов с поверхности вещества (чаще всего металла) под действием падающего света. Энергия фотона $h\nu$ расходуется на совершение работы выхода $A_{вых}$ (минимальной энергии, необходимой для удаления электрона из вещества) и на сообщение вылетевшему электрону кинетической энергии $E_k$. Это явление описывается уравнением Эйнштейна: $h\nu = A_{вых} + E_k$. Внешний фотоэффект используется в таких приборах, как вакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители (ФЭУ), которые применяются для регистрации очень слабых световых сигналов.

б) Внутренний фотоэффект. Наблюдается в полупроводниках и диэлектриках. Под действием света электроны не покидают вещество, а переходят из связанных состояний (валентной зоны) в свободные (зону проводимости), оставаясь внутри кристалла. Это приводит к увеличению концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок) и, как следствие, к увеличению электропроводности вещества. Данное явление называется фотопроводимостью и лежит в основе работы фоторезисторов — элементов, меняющих своё сопротивление в зависимости от освещённости. Они используются в датчиках света, например, в системах автоматического включения уличного освещения.

в) Вентильный фотоэффект (фотовольтаический эффект). Возникает в области контакта двух разнородных материалов, чаще всего в p-n переходе полупроводника. Падающий свет создаёт в этой области пары электрон-дырка, которые разделяются внутренним электрическим полем p-n перехода. В результате на границах перехода возникает разность потенциалов — фото-ЭДС. Если подключить к такому элементу внешнюю цепь, в ней потечёт ток. Этот эффект является основой работы солнечных батарей (фотоэлектрических преобразователей), которые напрямую преобразуют солнечную энергию в электрическую.

2. Приборы с зарядовой связью (ПЗС-матрицы)

Эти устройства являются "глазами" современных цифровых фотоаппаратов, видеокамер и телескопов. ПЗС-матрица состоит из миллионов светочувствительных ячеек (пикселей). Когда свет попадает на пиксель, благодаря внутреннему фотоэффекту в полупроводниковом материале ячейки генерируются электроны. Количество этих электронов прямо пропорционально интенсивности попавшего света. Таким образом, световое изображение преобразуется в "электрическое" — распределение заряда по матрице, которое затем считывается электроникой и преобразуется в цифровое изображение.

3. Фотосинтез

Хотя это сложный биологический процесс, его начальные стадии являются прямым примером электрического действия света на молекулярном уровне. Молекулы хлорофилла в клетках растений поглощают фотоны света, что приводит к переходу электрона в возбуждённое состояние. Этот высокоэнергетический электрон затем "отрывается" от молекулы и запускает сложную цепь переноса заряда через мембрану. Этот перенос зарядов (электрический ток на наноуровне) создаёт разность потенциалов, энергия которой используется клеткой для синтеза АТФ — универсального источника энергии для всех биохимических процессов.

Ответ:

Примерами электрического действия света являются: внешний фотоэффект (используется в фотоумножителях), внутренний фотоэффект (основа работы фоторезисторов и ПЗС-матриц в цифровых камерах), вентильный фотоэффект (применяется в солнечных батареях), а также первичные стадии фотосинтеза, где поглощение света вызывает разделение электрических зарядов в молекулах и их дальнейший перенос.