Явление, при котором свет отрывает от атома электрон, называется фотоэффектом.

А.В.Столетов, тщательно исследовав явление фотоэффекта, пришёл к выводу, что для каждого вещества существует пороговое значение частоты падающего света, с которой начинается фотоэффект. Если частота падающего света будет меньше этого значения, то фотоэффект наблюдаться не будет, несмотря на очень высокую интенсивность падающего излучения. Это наименьшее значение частоты, с которой начинается фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта (n_мин) Это объясняется тем, что для того, чтобы оторвать электрон от атома, нужно затратить определённое количество энергии. Это значение энергии, необходимое для отрыва электрона от атома, называется работой выхода (А_вых). Если энергия падающего на вещество света выше, чем значение работы выхода, то излишек энергии пойдёт на сообщение выбитому электрону кинетической энергии. Это отображается формулой Эйнштейна для фотоэффекта:

hn = Aвых + mv²/2

Следует отметить, что кванты света не могут суммировать свою энергию: если один квант не может вырвать электрон из атома, то не вырвут и десять квантов, и миллион. Но если энергия кванта будет больше работы выхода, тогда даже один квант вызовет фотоэффект. И чем выше частота излучения, тем больше будет скорость выбитых из вещества электронов, если только энергия кванта будет больше работы выхода.

Фотоэффект наблюдается как на поверхности металлов, так и в полупроводниках. На поверхности металлов наблюдается внешний фотоэффект, так как выбитый электрон выбрасывается во внешнее пространство и металл при этом заряжается положительно. В полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект, при котором свет от атома полупроводника отрывает электрон и этот электрон остаётся внутри вещества. На месте оторванного электрона остаётся вакансия – «дырка». Таким образом, при внутреннем фотоэффекте свет порождает электронно-дырочные пары.

Внешний фотоэффект используется в специальных приборах – фотоэлементах, которые раньше устанавливались в звуковых блоках кинопроекционной аппаратуры и в различных устройствах автоматики и телемеханики. В настоящее время фотоэлементы заменяются полупроводниковыми приборами, работающими на внутреннем фотоэффекте: фоторезисторами, фотодиодами, фототранзисторами. Кроме того, на внутреннем фотоэффекте работают матрицы, преобразующие изображение в электрические сигналы, которые установлены в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах. На внутреннем фотоэффекте также работают и фотогальванические элементы, которые преобразуют световую энергию в электрическую (солнечные батареи).

Люминесценция. Лазеры.

Рассмотрим ещё одно физическое явление, при котором атомы вещества излучают свет. Это явление называется люминесценцией.

Для того, чтобы атом излучал свет, нужно его привести в возбужденное состояние. При этом он поглощает определённое количество энергии. Выходя из возбуждённого состояния, атом излишек своей энергии излучает в виде света. В зависимости от способа возбуждения атома, люминесценция бывает различных видов. Вот некоторые из них:

1. Электролюминесценция (катодолюминесценция). При этом виде люминесценции атом возбуждается при ударе по нему электронов. Примером может служить свечение экрана телевизора с кинескопом, свечение различных вакуумно-люминесцентных индикаторов, свечение газов в газоразрядных трубках. В природе электролюминесценция проявляется в виде молнии и в виде полярных сияний. Следует отметить, что электролюминесценция – это явление, противоположное фотоэффекту. При фотоэффекте свет из атома выбивает электрон, а при фотолюминесценции наоборот: электрон вызывает свечение.

2. Фотолюминесценция. При таком виде люминесценции атомы возбуждаются от внешнего источника света или другого электромагнитного излучения. Но только при этом энергия возбуждающего кванта должна быть больше, чем энергия кванта, испущенного веществом при люминесценции. Примером фотолюминесценции может служить то, что некоторые краски выглядят при внешнем освещении особенно яркими: они светятся при падении на них внешнего света. Свечение экрана рентгеновского аппарата также объясняется фотолюминесценцией.

3. Хемолюминесценция. При таком виде люминесценции атомы возбуждаются энергией химических реакций. Примером может быть свечение белого фосфора при его окислении и свечение некоторых органических веществ при их гниении.

4. Биолюминесценция. Некоторые учёные называют такой вид люминесценции разновидностью хемолюминесценции. При таком виде люминесценции атомы, излучающие свет, возбуждаются от биологических процессов в некоторых живых организмов. Светятся некоторые насекомые, которых назвали светлячками, светятся некоторые аквариумные рыбы и многие обитатели океанских глубин, куда не проникают солнечные лучи.

Люминесценция подразделяется на два вида: флюоресценцию и фосфоресценцию.

При флюоресценции возбуждённые атомы излучают тогда, когда действует возбуждающий фактор и после прекращения действия этого фактора, излучение сразу прекращается. При фосфоресценции излучение некоторое время продолжается и после прекращения действия возбуждающего фактора, постепенно ослабевая. Примером фосфоресценции служит свечение некоторых сувениров, циферблатов некоторых часов, свечение украшений. Для того, чтобы эти предметы могли светиться, их нужно некоторое время подержать на свету.

Дальнейшее применение люминесценции будет рассмотрено ниже.

Научные исследования середины прошлого века позволили установить, что возбуждённые атомы можно заставить излучать свет как бы «по команде»: и этой «командой» служит так называемое стимулирующее излучение. Наши учёные Н.Г.Басов и А.М.Прохоров создали прибор, действующий на этом принципе, который позже получил название лазер. Это слово является аббревиатурой английской фразы: Lidht Amplification by Stimulated Emission of Radiation. В переводе на русский язык эта фраза означает: «Усиление света с помощью стимулирующего излучения». Первый лазер был создан на твёрдом теле. Телом служил кристалл рубина в виде цилиндра, который облучался со всех сторон мощной импульсной лампой. Одновременно со вспышкой лампы из одного из торцов излучался световой импульс огромной интенсивности. Этот лазер мог работать только в импульсном режиме. Позже были созданы лазеры непрерывного действия на растворах органических красителей, на смеси газов гелий-неон, а также на других газах и были также созданы лазеры на полупроводниках. Полупроводниковые лазеры оказались очень экономичными, компактными и дешёвыми. Несмотря на небольшую излучаемую мощность, полупроводниковые лазеры получили очень широкое распространение: лазерные указки, уровни, дальномеры, различные точные измерительные инструменты. Полупроводниковые лазеры стали устанавливать в бытовую радиоэлектронную аппаратуру и компьютеры для записи и чтения аудио- и видеодисков.

Лазерное излучение имеет следующие особенности:

1. Высокая интенсивность. В лазерном луче концентрируется настолько высокая интенсивность, что в нём можно испарить практически любые вещества, можно производить резку металлов, можно проделать отверстие даже в алмазе.

2. Высокая направленность лучка и его малая расходимость. Лазерный луч можно сфокусировать так, что он может быть во столько раз тоньше человеческого волоса, во сколько волос тоньше бревна. Если лазерный луч сфокусировать с помощью современных оптических методов, то его можно будет послать на Луну и он на ней высветит пятно, размером с футбольное поле. А ведь до Луны – 384000 км! И если такой луч послать в межзвёздное пространство, то наблюдатель, находящийся на расстоянии ближайшей звезды (на расстоянии 4,3 световых года) смог бы его разглядеть с помощью обыкновенного бинокля.

3. Высокая монохроматичность (одноцветность). Лазер выдаёт излучение строго определённой частоты. Ни один другой источник света не может выдать столь определённую частоту. Лазер можно изготовить на любой цвет, даже невидимый. Поэтому излучение лазера используется в особо точных физических измерениях.

4. Высокая когерентность. Это значит, что все атомы лазера выдают излучение в строгом согласии друг с другом. Атомы излучают как бы враз. Можно привести такой пример. Представим, что по улице идёт толпа народу и идёт рота солдат. Они шагают чётко, в ногу. Духовой оркестр им задаёт темп. И солдаты, и народ идут по улице с одной и той же скоростью. Но характер хода у них разный. Излучение атомов лазера можно сравнить с ходом солдат под музыку марша, а излучение атомов других источников света можно сравнить с ходом обычной толпы народа.

Все эти особенности позволили лазеру произвести революцию в неуке и технике. В частности, в медицине лазер используется в качестве скальпеля. При этом отпадает необходимость в стерилизации инструмента и при иссечении ткани лазерным скальпелем одновременно завариваются усечённые мелкие капилляры, что предотвращает кровопотерю. С помощью лазерного скальпеля удобно оперировать такой капризный орган, как печень. Широкое применение лазер нашёл в офтальмологии. Стали возможны операции внутри глаза без вскрытия глазного яблока, например, при отслоении сетчатки. С помощью лазера стала возможной коррекция зрения путём изменения формы роговицы, придания ей формы корректирующей рассеивающей или собирающей линзы. В настоящее время ещё не использованы все возможности лазера в медицине. Работа в этом направлении продолжается.