1. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

3. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν₀ света (зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Второй и третий законы фотоэффекта не удается объяснить на основе волновых представлений. В самом деле, согласно волновой теории, вырывание электронов из металла должно происходить благодаря их «раскачиванию» в электрическом поле световой волны. Тогда неясно, почему максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) вылетающих электронов зависит от частоты света, а не от амплитуды колебаний вектора световой волны и связанной с амплитудой интенсивностью волны. Наличие «красной границы» фотоэффекта также несовместимо с волновой теорией, так как свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла. Кроме того, волновая теория не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, установленую опытами.

Объяснение фотоэффекта было дано на основе квантовой теории. Эйнштейн пошел значительно дальше Планка, предполагавшего, что излучение осуществляется порциями – квантами. Корпускулярные свойства Эйнштейн приписал самому излучению, и отдача энергии при излучении объясняется тем простым фактом, что никаких других порций излучения (частоты ν) существовать в природе не может.

Монохроматическое излучение частоты ν состоит всегда из целого числа фотонов (квантов), энергия каждого из которых равна . При поглощении излучения частоты ν веществом каждый из электронов может поглотить один фотон, приобретая при этом энергию (и никакую другую).

Если эта энергия достаточна, чтобы электрон мог совершить работу выхода, будет наблюдаться фотоэффект. Если этой энергии недостаточно, фотоэффект наблюдаться не будет: электрон гораздо раньше потеряет приобретенную им энергию (сталкиваясь с ионами и другими электронами и обмениваясь при этом с ними энергией).

Эйнштейн предложил для описания фотоэффекта использовать уравнение:

,

то есть энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетающему фотоэлектрону максимальной кинетической энергии .

Уравнение:

(1.15)

получило название уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Уравнение (1.15) может быть записано в виде:

т о есть действительно определяется только частотой света и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни А, ни ν от интенсивности света не зависят. Из этого уравнения получается значение минимальной для данного вещества частоты ν₀ («красной границы»), при которой фотоэффект становится возможным, рис.6:

«Красная граница» зависит лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности.

Объяснение безынерциальности фотоэффекта на основе квантовых представлений тривиально: испускание фотоэлектрона происходит сразу, как только на фото катод падает излучение с .

Описанный выше фотоэффект является внешним. При этом падающий на поверхность металла свет испытывает поглощение свободными электронами в очень тонком слое вещества. Поглотив фотоны, электроны приобретают энергию, достаточную для преодоления работы выхода, и часть из них вырывается наружу в вакуум или газ.

В прозрачном диэлектрике или полупроводнике фотон поглощается внутри кристалла электроном, связанным с определенным атомом решетки. При таком внутреннем фотоэффекте электрон вырывается из атома, но остается внутри кристалла. Возникающие узлы с нарушенными электрическими свойствами становятся способными поглощать и рассеивать длинноволновое излучение и тем самым приводят к изменению окраски кристалла. При прохождении жестких - лучей энергия, поглощенная кристаллом и затрачиваемая на возбуждение его атомов, в некоторых телах способна сразу же излучаться обратно в виде кратковременной вспышки света – сцинтилляции. В случае полупроводников вырванный электрон попадает в зону проводимости, становится свободным и снижает тем самым электрическое сопротивление.

В ентильный фотоэффект. На границе металл-полупроводник или в области переходов образуется запорный слой, рис.7. При освещении полупроводника светом с фотонами, обладающими необходимой энергией , вырванные из атомов n-полупроводника электроны проходят запорный слой в пропускном направлении и, скапливаясь на внешней границе р-полупроводника, создают постоянную разность потенциалов U. Если соединить проводником обе граничные поверхности, то через него потечет ток, измеряемый гальванометром G. Разность потенциалов U является электродвижущей силой по отношению к замкнутой цепи. Эта электродвижущая сила создает в проводнике фотоэлектрический ток I_ф, который пропорционален падающему лучистому потоку Ф.

Приборы, в которых фотоэффект используется для превращения энергии излучения в электрическую энергию, называются фотоэлементами. Фотоэлементы бывают различных типов. Эти фотоэлементы могут быть основаны как на внешнем фотоэффекте (вакуумные фотоэлементы, газонаполненные фотоэлементы), так и на внутреннем фотоэффекте (фотоэлементы с запирающим слоем).

О собенно большое усиление тока дает прибор, изобретенный А.А.Кубецким, получивший название фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). В этом приборе происходит усиление тока за счет вторичной эмиссии, что приводит к его многократному усилению. Схема прибора приведена на рис.8. Фотоэлектроны с фотокатода ФК ускоряются в электрическом поле и, попадая на первый эмиттер Э₁, выбивают из него в - раз большее число электронов ( - коэффициент вторичной эмиссии). Эти электроны, ускоряясь, в свою очередь, попадают на эмиттер Э₂, выбивая из него еще большее число электронов. Для того чтобы электроны следовали по необходимым маршрутам, электродам придают специальную форму и сообщают им нужные потенциалы.

В современных промышленных образцах фотоэлектронного умножителя при девяти ступенях усиления достигается общее увеличение тока в 2^.10⁶ раз при напряжении питания в 1000-1500 В.