Визначення фотоефекту

Фотоелектричним ефектом (фотоефектом) називають групу явищ, що виникають при взаємодії світла з речовиною і полягають або в емісії електронів (зовнішній фотоеф- фект), або в зміні електропровідності речовини або виникненні електрорушійної сили (внутрішній фотоефект). У фотоефекті виявляються корпускулярні властивості світла. У 1888 Гальвакс показав, що при опроміненні ультрафіолетовим світлом електрично нейтральної металевої пластинки остання набуває позитивний заряд. У цьому ж році Столєтов створив перший фотоелемент і застосував його на практиці, потім він встановив пряму пропорційність сили фотоструму інтенсивності падаючого світла. У 1899 Дж. Дж. Томпсон і Ф. Ленард довели, що при фотоефекті світло вибиває з речовини електрони.

Види фотоефектів

Виділяють три основні види фотоефектів: внутрішній, зовнішній і вентильний. Зовнішній фотоефект спостерігається в газах на окремих атомах і молекулах (фотоіонізація) і в конденсованих середовищах. Зовнішній фотоефект у металі можна уявити перебуваючи- щим з трьох процесів: поглинання фотона електроном прово- хідності, в результаті чого збільшується кінетична енергія електрона; рух електрона до поверхні тіла; вихід елек- трону з металу. Цей процес енергетично описують рівнянням Ейнштейна (див. нижче). Якщо, висвітлюючи метал монохроматичним світлом, зменшувати частоту випромінювання (збільшувати довжину хвилі), то, починаючи з деякого її значення, званого червоним кордоном; фото ефект припиниться. Експериментальні дослідження показали, що термін «червона межа» не означає, що грані- ца фотоефекту обов'язково потрапляє в область червоного кольору. Внутрішній фотоефект спостерігається при висвітленні напів- провідників і діелектриків, якщо енергія фотона достатня для, перекидання електрона з валентної зони в зону провідності, У домішкових напівпровідниках фотоефект виявляється так- ж у тому випадку, якщо енергія електрона достатня для пере- викиду електронів в зону провідності з донорних домішкових рівнів або з валентної зони на акцепторні домішкові рів- ні. Так в напівпровідниках і діелектриках виникає фотоелектропроводімость. Цікава різновид внутрішнього фотоефекту спостеріга- дається в контакті електронного й діркового напівпровідників. У цьому випадку під дією світла виникають електрони і дир- ки, які поділяються електричним полем р-n-переходу; електрони переміщаються в напівпровідник типу n, а дірки - в напівпровідник типу р, При цьому між дірковим і електрон- вим напівпровідниками змінюється контактна різниця потен- 2

ціалу в порівнянні з рівноважною, тобто виникає фотоелектро- рушійна сила. Таку форму внутрішнього фотоефекту називаються вають вентильним фотоефектом. Він може бути використаний для безпосереднього перетворення енергії електромагнітного випромінювання в енергію елек- тричних струму.

Рівняння Ейнштейна

Формулювання 1-го закону фотоефекту: кількість електронів, що вириваються світлом з поверхні металу за 1с, прямо пропорційно інтенсивності світла. Згідно другому закону фотоефекту, максимальна кінетична енергія вириваються світлом електронів лінійно зросте з частотою світла і не залежить від його інтенсивності. Третя закон фотоефекту: для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла v ₀ (або максимальна довжина хвилі λ _0), при якій ще можливий фотоефект, і якщо v <V _0, то фотоефект вже не відбувається. Перший закон пояснений з позиції електромагнітної теорії світла: чим більше інтенсивність світлової хвилі, тим більшій кількості електронів буде передана достатня для вильоту з металу енергія. Інші закони фотоефекту суперечать цій теорії. Теоретичне пояснення цих законів було дано в 1905 Ейнштейном. Згідно з ним, електромагнітне випромінювання представляє собою потік окремих квантів (фотонів) з енергією hv кожен (h-стала Планка). При фотоефекті частина падаючого електромагнітного випромінювання від поверхні металу відбивається, а частина проникає всередину поверхневого шару металу і там поглинається. Поглинувши фотон, електрон отримує від нього енергію і, роблячи роботу виходу, покидає метал: hv = A + mv ² / ^2, де mv ² -Максимальна кінетична енергія, яку може мати електрон при вильоті з металу. Вона може бути визначена: mv ² / ² = eU _3. U ₃ - затримує напругу. У теорії Ейнштейна закони фотоефекту пояснюються наступним чином: Інтенсивність світла пропорційна числу фотонів у світловому пучку і тому визначає число електронів, вирваних з металу. Другий закон випливає з рівняння: mv ² / ² = hv-A. З цього ж рівняння випливає, що фотоефект можливий лише в тому випадку, коли енергія поглинутого фотона перевищує роботу виходу електрона з металу. Тобто частота світла при цьому повинна перевищувати деякий визначений для кожної речовини значення, рівне A> h. Ця мінімальна частота визначає червону кордон фотоефекту: v _o = A / h y _o = c / v _o = ch / A. При меншій частоті світла енергії фотона не вистачає для здійснення електроном роботи виходу, і тому фотоефект відсутня. Квантова теорія Ейнштейна дозволила пояснити і ще одну закономірність, встановлену Столєтова. У 1888 Столєтов зауважив, що фотострум з'являється майже одночасно з освітленням катода фотоелемента. За класичною хвильової теорії електрону в полі світлової електромагнітної хвилі

3

потрібен час для накопичення необхідної для вильоту енергії, і тому фотоефект повинен протікати з

запізненням принаймні на кілька секунд. За квантової теорії ж, коли фотон поглинається електроном, то вся енергія фотона переходить до електрона і ніякого часу для накопичення енергії не потрібно. З винаходом лазерів з'явилася можливість експериментувати з дуже інтенсивними пучками світла. Застосовуючи надкороткі імпульси лазерного випромінювання, вдалося спостерігати многофотонной процеси, коли електрон, перш ніж покинути катод, зазнавав зіткнення не з одним, а з кількома фотонами. У цьому випадку рівняння фотоефекту записується: Nhv = A + mv ² / ^2, чому відповідає червона межа.