4.3 Фотоэлектрический эффект и природа электромагнитного излучения
В 1887 г. немецкий физик Г. Герц замечает, что ультрафиолетовое излучение в области искрового промежутка облегает разряд. В 1888 - 1890 гг. профессор Московского университета А.Г. Столетов устанавливает основные закономерности явления, названного фотоэлектрическим эффектом:
а/ под действием света вещество теряет только отрицательные заряды;
б/ явление вызывается преимущественно ультрафиолетовыми лучами;
в/ образующийся между катодом и анодом фототек пропорционален падающему на катод лучистому потоку;
г/ между моментом освещения катода и возникновением фототока не протекает заметного времени. Фотоэффект практически безинерционен.
Объяснение механизма фотоэффекта было впервые дано Эйнштейном в 1905 г. Эйнштейн предложил рассматривать излучение как поток материальных частиц, "квантов излучения" или "фотонов". Энергия фотона, как и в теории Планка, равна ε = hν. Монохроматическое излучение частоты ν состоит из целого числа фотонов. Если энергия фотона достаточна, чтобы электрон мог совершить работу выхода Авых, будет наблюдаться фотоэффект. Энергия выбитых фотоэлектронов различна. Наибольшей скоростью vm и кинетической энергией mv2m/2 будут обладать электроны, вырванные с самого верхнего энергетического уровня в металле. По закону сохранения энергии для этих электронов:
- уравнение
Эйнштейна
Это уравнение выведено на основе квантовой теории фотоэффекта, согласно которой свет с частотой ν не только испускается, но и распространяется в пространстве, и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых ε = hν. (Квантовая теория фотоэффекта позволяет понять необъяснимый, с точки зрения волновой теории, результат: значение mv2m/2, зависит только от частоты излучения и не зависит от его интенсивности.) Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е минимальная частота света, зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызовет (энергия фотона ε = hν окажется меньше работы выхода Авых).
Явление выбивания излучением с поверхности металла электронов называют внешним фотоэффектом. В прозрачном диэлектрике или полупроводнике фотон поглощается электроном внутри кристалла. При этом электрон либо покидает атом, попадая в междоузлие кристаллической решетки (т.е. в зону проводимости), либо переходит на более высокие энергетические уровни, т.е. происходит возбуждение атомов. Это явление называется внутренним фотоэффектом. В случае полупроводников внутренний фотоэффект приводит к снижению электрического сопротивления (такого типа полупроводники называют фотосопротивлениями).
Вентильный фотоэффект – возникновение ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или контакта полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.
Волновые свойства излучения проверены на огромном экспериментальном материале (интерференция, дифракция, законы отражения и преломления). Корпускулярные свойства излучения также подтверждены многими опытами ("ультрафиолетовая катастрофа", фотоэффект, эффект Комптона). Обе картины - корпускулярная и волновая - равноправны и дополняют друг друга, в этом заключается двойственность корпускулярно - волновой природы излучения.