4. Фотоэффект. Вольтамперная характеристика фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется явление испускания электронов веществом под действием света с поверхности вещества. Электроны, вылетающие с вещества, называютсяфотоэлектронами. При упорядоченном движении фотоэлектронов во внешнем электрическом поле возникаетфототок. При внутреннем фотоэффекте электроны, оставаясь в теле, изменяют под действием света свои энергетические состояния, что приводит к изменению некоторых свойств вещества, например, его электропроводности. На рисунке 6.7.2 представлена схема для изучения законов внешнего фотоэффекта. Катод К вакуумного фотодиода освещается светом через окно О. Зависимость фототока   от разности потенциалов   между анодом А и катодом К называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) вакуумного фотодиода, она представлен на рисунке 6.7.3.

Рисунок 6.7.2. – Схема изучения ВАХ фотодиода

Рисунок 6.7.3. – Вольт – амперная характеристика (ВАХ) фотодиода.

Предельное значение фототока   называется током насыщения и означает, что все вылетевшие в единицу времени с катода под влиянием света электроны достигли анода. Существование фототока при отрицательных значениях   (т.е. когда катод К подключен к плюсу, анод А – к минусу источника тока) свидетельствует о том, что фотоэлектроны из катода выходят с некоторой начальной скоростью. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов   связана с характеристикой задерживающего электрического поля – задерживающим напряжением   соотношением:  , где   и   – соответственно масса и заряд электрона. Задерживающим  напряжением  называется такая разность потенциалов электрического поля, при прохождении электроном которой его кинетическая энергия уменьшается до нуля. Работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии электрона. Установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

• 1–й закон фотоэффекта (закон Столетова. При неизменном спектральном составе падающего на фотокатод света фототок насыщения пропорционален световому потоку:  .

• 2-й закон фотоэффекта.

Максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты падающего на катод света и не зависит от его интенсивности.

• 3-й закон. Красная граница фотоэффекта.

Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота   света, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

• 4-й закон. Фотоэффект практически безинерционен.

5. Уравнение А. Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Лишь квантовая теория света позволила успешно объяснить законы внешнего фотоэффекта. Эйнштейн пришел к квантовым представлениям в оптике из общих соображений. Он развил идеи Планка и высказал гипотезу о том, что свет не только излучается, но и поглощается, и распространяется квантами. Энергия излучения падающего на поверхность вещества, полностью им поглощается и передается непосредственно отдельной частице вещества. При внешнем фотоэффекте энергию фотона получает электрон проводимости. Часть энергии  , называемая работой выхода электрона из металла, расходуется на преодоления притяжения со стороны ионов кристаллической решетки и выход электрона с поверхности металла. Другая часть энергии кванта остается у электрона в виде кинетической энергии. Если электрон не теряет энергию при столкновениях с ионами и другие эффекты, то он выходит с максимально возможной кинетической энергией. Уравнение Эйнштейн – закон сохранения энергии при внешнем фотоэффекте:  , где   – работа выхода,   – максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона,   – энергия фотона.