14.1. Фотоэффект, его виды и законы

14.2. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

14.3. Эффект Комптона

Фотоэффект проявляется при взаимодействии света с веществом. Внутренний фотоэффект заключается в освобождении связанных с атомами электронов внутри полупроводника и, как следствие, увеличение электропроводности полупроводника.

В нешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов с поверхности твердых и жидких веществ под действием света.

Рис. 14.1. Рис. 14.2

Свет от источника падает на цинковую пластину , (рис. 14.1) проходя через медную сетку С. При освещении отрицательно заряженной пластины светом в цепи возникал электрический тoк, называемый фототоком. Освещение положительно заряженной пластины С не приводило к возникновению фототока. Из этого следует, что под действием света металл теряет отрицательно заряженные частицы - электроны.

Анализ вольт-амперной характеристики фотоэлемента показывает, что даже при небольших отрицательных напряжениях между пластинами С и существует небольшой фототок, так как электроны, вырванные из катода, обладают отличной от нуля начальной кинетической энергией. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов связана с тормозящим напряжением соотношением:

(14.1)

Максимальное значение тока называется фототоком насыщения, который соответствует таким значениям напряжения, при котором все электроны, вырываемые из катода под действием света, достигают анода. На основе исследований Столетова были установлены законы фотоэффекта:

1. Фотоэффект практически безинерционен.

2. Количество фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света и не зависит от частоты.

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

4. Для каждого вещества существует некоторая наименьшая частота света, при которой еще возможен фотоэффект, называемый красной границей фотоэффекта.

Развивая квантовую гипотезу Планка, А. Эйнштейн предложил в виде уравнения следующую схему фотоэффекта. Фотон с энергией , налетая на поверхность металла, сталкивается с электроном и полностью передает ему всю свою энергию .

При этом энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии. Тогда закон сохранения энергии для фотоэффекта будет иметь вид:

. (14.2)

Последнее уравнение носит название уравнения Эйнштейна для фотоэффекта.

Эффект Комптона. Квантовые свойства света проявляются также в явлении, которое обнаружил А.Комптон в 1923 году. Эффект Комптона представляет собой рассеяние рентгеновских квантов на свободных электронах. Энергия рентгеновского кванта значительно больше, чем энергия фотона для световой волны видимой области спектра, поэтому энергия связи электрона в металле является незначительным препятствием для рентгеновского кванта, что позволяет считать электроны свободными. Опыты Комптона показали, что длина волны рассеянного излучения больше длины волны падающего излучения, причем разность зависит только от угла рассеяния :

, (14.3)

где константа, называемая комптоновской длиной волны. Квантовая теория излучения позволяет объяснить явление Комптона как результат взаимодействия рентгеновских квантов с электронами, с соблюдением законов сохранения импульса и энергии. Налетающий фотон с импульсом сталкивается с покоящимся электроном (рис. 1.2), в результате чего электрон приобретает импульс , а импульс фотона становится равным . Как видно из рисунка 1.8, закон сохранения импульса с использованием теоремы косинусов можно записать в виде: