Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Фотоэффект обнаружен Г. Герцем, наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А. Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 32.1. Два электрода (катод К из исследуемого металла и анод А — в схеме Столетова применялась металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром.

Внутренний фотоэффект — это вызванные электромаг- Рис.32.1.

нитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению э.д.с.

Вентильный фотоэффект, являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, — возникновение э.д.с. (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

На рис. 32.1 приведена экпериментальная установка для исследования вольт-амперной характеристики фотоэффекта зависимости фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения между электродами. Вольт-амперная характеристика фотоэффекта приведена на рис.32.2. Такая зависимость соответствует двум различным освещенностям Е_е, катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения напряжения U в цепи фототок постепенно возрастает, т. е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока I_нас — фототок насыщения — определяется таким значением напряжения U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

I_нас =еп, (32.1)

где п число электронов, испускаемых катодом в 1с.

Из вольтамперной характеристики следует, что при U=0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы Рис.32.2.

фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U₀. При U = U₀ ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

mυ² _max/2=еU₀, (32.2)

т.е., измерив задерживающее напряженне U₀, можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

При изучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.

Первый закон фотоэффекта: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорциоиально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорпиональна энергетической освещенности Е_е, катода).

Второй закон фотоэффекта: Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой v.

Третий закон фотоэффекта: Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.