Электрический ток в жидкости и фотоэффект
Сергей ГерасимовСамое интересное, привлекательное и полезное в фотоэффекте — это возможность получения электродвижущей силы, т. е. работы по перемещению электрических зарядов, которую совершают силы неэлектрического происхождения. Действительно, при взаимодействии света с веществом происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням. Если энергия кванта превышает ширину запрещенной зоны, электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате электрод, потерявший электрон, приобретает положительный заряд, что, собственно говоря, и является причиной возникновения электрического тока в цепи.
Однако не все так просто. Обычные материалы — металлы и диэлектрики — обладают достаточно большой шириной запрещенной зоны, что, по существу, оказывается препятствием для получения дешевого и экологически чистого источника энергии. Поэтому должны приветствоваться любые попытки создать материал, характеризующийся максимальным отношением силы фототока к величине светового потока, падающего на поверхность рабочего вещества. К примеру, замечательные результаты дает монокристалл германия, но созданная таким образом солнечная батарея оказывается экономически невыгодной. И это не единственное препятствие на пути энергетического прогресса. Недолговечность — вот что может испортить и действительно портит безоблачную жизнь потребителям безоблачной энергии.
Вместе с тем, решение этой фотоэлектрической проблемы, похоже, лежит на поверхности. Так получилось, что открытый при помощи жидкости фотоэффект теперь в большей степени связывает свою судьбу с полупроводниками. Правда и то, что контакт полупроводника или металла с жидкостью (электролитом) позволил узнать о природе взаимодействия оптического излучения с веществом чрезвычайно много, а вот возможность использования контакта обычного металла с обычной жидкостью в практических целях осталась нетронутой. Поэтому попытаемся внести свой вклад в изучение этого замечательного явления, тем более что такое сравнительно несложное исследование возможно в обычной учебной лаборатории.
Лампа, алюминиевая банка и пара приборов
Почти все, что нужно для изготовления экспериментальной установки, представлено на рисунке 1. Исследуемая жидкость находится в цилиндрической кювете, боковая поверхность которой (К) диаметром 75 мм и высотой 45 мм изготовлена из алюминия. Это — один электрод фотоэлектрического прибора. Из того же материала изготовлен второй цилиндрический электрод (к) диаметром 10 мм и высотой 45 мм. Раз изучается влияние света от лампы (Л) на жидкость, то необходимо избежать попадания света на поверхность металлических электродов. Для этого служат два экрана (Э) и (э), изготовленные из светонепроницаемого пластика. Высоты экранов одинаковы и составляют 40 мм, внутренний диаметр большого экрана 40 мм, внешний диаметр малого экрана 20 мм. Выбор алюминия в качестве электродов обусловлен тем, что толщина переходного слоя «алюминий — вода» обладает чрезвычайно большой электрической емкостью, и есть надежда, что процесс экспозиции удастся растянуть во времени. В качестве рабочей жидкости, как предполагается, играющей самое активное участие в формировании фотоэлектрического эффекта, лучше всего использовать дистиллированную воду. Почему? Воды в природе очень много — это раз. Есть надежда избежать помех, обусловленных химическими процессами, — это два.
Между источником света (Л) и кюветой с исследуемой жидкостью находится поглотитель (П) — чтобы избавиться от нагрева жидкости лампой. Источником света может быть практически любая энергосберегающая лампа, например лампа Е27-9W/C:4000 К. Выбор поглотителя достаточно очевиден — это слой воды высотой полтора сантиметра, налитой в тонкостенную кювету. Есть надежда, что инфракрасное излучение от лампы таким поглотителем будет подавлено полностью. В перспективе поглотитель можно заменить светофильтром, если потребуются спектрометрические измерения.
На входе установлено фотосопротивление (ФС), позволяющее однозначно судить об освещенности поверхности исследуемой жидкости. Нужны еще два прибора. Один из них измеряет падение напряжения на сопротивлении нагрузки (R = 15 кОм), а второй измеряет сопротивление фоторезистора.
Пока только опыт (наблюдение)
Заправив кювету дистиллированной водой и подключив милливольтметр, начинаешь подозревать, что направление тока на рисунке 1 указано неверно. И так, и не так. На самом деле даже дистиллированная вода, сколь бы чистой она ни была, все равно химически взаимодействует с металлом. Именно это и имеет место сразу после того, как вы залили воду в кювету. Включив источник света, обнаруживаешь достаточно странное обстоятельство: ток в цепи не только изменяется по величине, но и меняет направление (рис. 2). После выключения лампы ток медленно, очень медленно, возвращается в «отрицательную» область, но свое значение не восстанавливает. Придется подождать десяток часов, прежде чем можно будет снова начать измерения.
Эксперимент первый. Выбор поглотителя
Через сутки после загрузки воды в кювету темновой ток (ток в цепи при отключенном источнике света) становится практически постоянным. Почему это происходит, пока неясно.
Сколь бы маломощна ни была лампа, играющая роль источника света, но нагрев жидкости в кювете все-таки возможен. А значит, нужен термометр, позволяющий контролировать и этот процесс. Конструкция кюветы позволяет установить небольшой градусник, а лучше термопару, без особых проблем.
К фототоку можно относиться двояким образом. Прежде всего, это процесс изменения тока в цепи, обусловленный оптическим облучением. Количественная характеристика этого процесса может тоже именоваться фототоком: можно договориться, что это ток в цепи в определенный момент времени минус ток в цепи в момент включения источника света.
Первое измерение проводим без поглотителя; в рабочем журнале набор чисел отмечаем перечеркнутой букой П. В глаза бросаются две особенности: возрастание тока в цепи начинается почти сразу же после включения источника света и прекращается сразу же после выключения лампы (рис. 3). При этом, что важно, температура жидкости еще сравнительно долго продолжает расти (рис. 4). Появляется убежденность, что такое изменение фототока невозможно объяснить ни нагревом жидкости, ни влиянием света на протекание химических реакций. То и другое в подавляющем большинстве случаев — сравнительно медленные процессы.
Дальше начинается самое интересное и не противоречащее ни здравому смыслу, ни известным и устоявшимся представлениям. Использование в качестве поглотителя стеклотекстолита толщиной 2 мм с нанесенным сверху слоем меди толщиной 0,1 мм (П = Cu+) подавляет эффект лишь наполовину (см. рис. 3). Гораздо сильнее действует гофрированный картон толщиной 3 мм с наклеенной сверху алюминиевой пленкой толщиной 0,05 мм (П = Al+). В этом нет ничего странного: медь обладает большой теплоемкостью, а картон — низкой теплопроводностью. При первом поглотителе максимальное изменение температуры составило 1,5°C, а при втором — около 0,5°C. Следует обратить внимание на еще одно важное обстоятельство: в начале экспозиции фототок растет, а температура жидкости если и увеличивается, то несущественно. Следствие может отставать от причины, но не наоборот.
Конечно же, все три зависимости соответствуют одному и тому же положению лампы. При отсутствии поглотителя средняя освещенность поверхности жидкости составила 15000 лк (напомним, что в люксах измеряется освещенность в Международной системе единиц — СИ).
Итак, первый эксперимент, заключающийся в ежеминутных измерениях падения напряжения и температуры в течение нескольких часов, подтвердил предположение о том, что электрический ток в жидкости, по крайней мере частично, имеет фотоэлектрическую природу.
Эксперимент второй. Фототок и освещенность
Следующий шаг — проверка линейности «люкс-амперной» характеристики. Имеется в виду пропорциональность освещенности и максимального значения фототока, а помешать такой линейности в принципе может только тепловой нагрев жидкости. Существует прекрасный способ избавиться от инфракрасного излучения — использовать воду в качестве поглотителя. Оказывается, достаточен слой воды в несколько сантиметров, чтобы заглушить это излучение полностью. Результаты измерений, аналогичных предыдущим, показали, что при использовании водного поглотителя (П = Н2О) фототок ведет себя совершенно по-другому (рис. 5). Самое основное: после выключения источника света сила фототока начинает резко уменьшаться. Вот оно, с одной стороны, обоснование фотоэлектрической природы тока в цепи, а с другой — подтверждение влияния инфракрасного излучения на электрические процессы в жидкости.
Теперь есть все, чтобы построить зависимость фототока от освещенности (рис. 6). Однако трех значений, приведенных на предыдущем рисунке, недостаточно. Значит, придется провести дополнительные измерения. Но и этого мало — каждое измерение придется повторить неоднократно, иначе есть опасность за результат выдать банальный промах. И тем не менее, у нас нет оснований сомневаться в линейности зависимости фототока от освещенности.
Всякое исследование должно заканчиваться выводом. В нашем случае можно высказать гипотезу, пусть даже и требующую проверки. А она такова: не исключено, что освещенность воды, даже очень слабая, является причиной темнового тока. По крайней мере, ощутимый вклад в электродвижущую силу световая экспозиция воды вносить безусловно должна.
