Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрические явления - электрические явления (изменение электропроводности, возникновение ЭДС или эмиссия электронов), происходящие в веществах под действием электромагнитного излучения. Все фотоэлектрические явления обусловлены отклонением от равновесия, существующего между электронами и атомным остовом вещества (кристаллической решеткой). К фотоэлектрическим явлениям следует отнести: внешний фотоэффект, внутренний фотоэффект, фотопроводимость, вентильный фотоэффект и другие.

При внешнем фотоэффекте свободные электроны вырываются наружу из проводника, а при внутреннем фотоэффекте кванты оптических лучей, воздействуя на связанные электроны непроводников и полупроводников, переводят их в состояние полусвободных или свободных электронов и этим увеличивают проводимость тела.

Внешний фотоэффект был исследован профессором МГУ А. Г. Столетовым в 1888 году. Схема опыта Столетова для исследования была такой (рис. 9).

Рис. 9

Были установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта:

1. Сила фототока насыщения J_H прямо пропорциональна падающему световому потоку: J_H = КФ, где К -фоточувствительность освещаемой поверхности.

2. Скорость фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Независимо от интенсивности света фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света, называемой красной границей фотоэффекта.

Законы внешнего фотоэффекта получили простое истолкование на основе квантовой теории света, предложенной в 1905 году А. Эйнштейном. Согласно ней свет частотой v не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых = h v, Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме. Эти кванты электромагнитного излучения получили название фотонов. По этой теории световой поток определяется числом световых квантов (фотонов), падающих в единицу времени на поверхность ме­талла. Каждый фотон может взаимодействовать только с одним электроном. Поэтому максимальное число фотоэлектронов должно быть пропорционально световому потоку (первый закон фотоэффекта). Энергия фотона = h v , где h - постоянная Планка, v- частота, поглощенная электроном, расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение ему кинетической энергии . Тогда, согласно закону сохранения энергии, можно записать:

(4.3)

Эта формула называется уравнением Эйнштейна. Из (4.3) следует, что фотоэффект может наблюдаться только в тех случаях, когда энергия светового фотона, падающего на поверхность металла, не меньше работы выхода. Очевидно, что в этом случае энергия фотона, возбуждающего фотоэффект, равна работе выхода электрона из металла, то есть hv_k = А. Подставляя это значение работы выхода в уравнение (4.3) и преобразуя его, находим удобное выражение для определения постоянной Планка

(4.4)

Не рассматривая других видов фотоэффекта, укажем лишь на многочисленные фотоэлектронные приборы - электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие энергию электромагнитного излучения в электрические сигналы или преобразующие изображения в невидимых (например, инфракрасных) лучах в видимые изображения. К числу таких приборов относятся: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоэлектронные умножители, фотосопротивления, фотоэлементы с запирающим слоем, фотодиоды и фототриоды, электронно-оптические преобразователи изображений и передающие телевизионные трубки.

Фотоэлектронные приборы широко используются в разнообразных технических устройствах и автоматизации технологических процессов в повседневной практике.