Фотоэлектрический эффект

Квантовая гипотеза Планка привела к представлению о том, что свет атомами испускается и поглощается отдельными порциями энергии – квантами, нуждалась в опытных подтверждениях. Такими опытами явились фотоэлектрический эффект, химическое действие света, тормозное рентгеновское излучение, эффект Комптона, флуктуация светового потока и т д. Из этих эффектов наибольшее внимание будем уделять фотоэффекту и эффекту Комптона.

Явление фотоэлектрического эффекта открыто нем уч. Г. Герцем (1887). Он установил, что при освещении отрицательного электрода искрового разрядника ультрафиолетовым светом разряд наступает при меньшем напряжении между электродами. В опытах, проведенных далее В. Гальваксом и А. Г. Столетовым, было установлено, что это явление обусловлено выбиванием под действием света зарядов из металлического катода разрядника.

Мы рассмотрим внешний фотоэффект – вырывание электронов из твердых и жидких веществ под действием света. Исследования фотоэффекта на металлах показало, что этот эффект зависит не только химической природы металла, но и от состояния его поверхности. Поэтому изучение фотоэффекта проводят в вакуумной трубке (рис.43).

Рис.43

Освещение катода выполняется через кварцевое окно, напряжение между катодом и анодом изменяется с помощью потенциометра, фототок измеряется гальванометром. На рис.44 изображены кривые зависимости фототока I от напряжения U, соответствующие двум энергетическим освещенностям.

Рис.44

Частота света в обоих экспериментах одинакова. Существование фототока в области отрицательных напряжений от 0 до – U₀ свидетельствует о том, что вырванные светом электроны обладают кинетической энергией, за счет которой они совершают работу по преодолению задерживающего электрического поля и достигают анода. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется соотношением

, (42)

где e и m – заряд и масса электрона.

Максимальное значение силы тока I_н называется током насыщения и он равен

I_н = еn,

где n – число электронов, вырываемых из катода за 1с. Опыт показывает, что фотоэффект практически безынерционен.

Законы внешнего фотоэффекта

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – минимальная частота ν₀ света, при которой фотоэффект перестает наблюдаться.

3. Число фотоэлектронов, вырванных из катода за единицу времени пропорционально интенсивности падающего света.

Явление фотоэффекта в течение значительного времени не находило объяснения, потому, что его законы противоречили принципам классической физики. Например, согласно первому закону начальная скорость вырванных светом электронов, т. е. их кинетическая энергия, зависит от частоты, а не от амплитуды световой волны и связанной с ней интенсивности света. Это относится в равной мере и к второму закону.

В 1905 г. Эйнштейн показал, что основные закономерности фотоэффекта могут быть легко объяснены, если считать, что свет поглощается такими же порциями , какими по предположению Планка, излучаются. Тогда энергия кванта света передаваемая электрону идет на работу вырывания электрона из металла и сообщение электрону кинетической энергии. Тогда из закона сохранения энергии следует

. (43)

Это равенство называется формулой Эйнштейна. На основе соотношения (42) оно может быть переписано в виде

,

где hν₀ – квант световой энергии, соответствующий красной границе фотоэффекта. В таком виде формула Эйнштейна многократно подверглась экспериментальной проверке. Эта формула содержит пропорциональность между кинетической энергией вырванных фотоэлектронов и частотой падающего света. Она указывает наличие красной границы фотоэффекта и позволяет оценить работу выхода электронов из металла.

В развитие взглядов о квантовом характере излучения и его взаимодействия с веществом ввели свой вклад и российские ученые. А.Ф. Иоффе и Н.И Добронравов (1922) изучали изменение заряда небольшой пылинки, взвешенной в электрическом поле под действием слабого потока света, Опыт показал, что пылинка в электрическом поле «вздрагивала» в среднем через каждые 30 минут, показывая попадание отдельного фотона на пылинку.

С.И. Вавилов с сотрудниками визуально наблюдал флуктуации интенсивности слабого светового потока в виде вспышек. Наблюдение велось на пороге светового восприятия человеческого глаза. Наблюдатель часть вспышек видел, часть из них не видел. Опыт свидетельствовал о том, что в разные промежутки времени источник света испускает разное число фотонов.

Внешний фотоэффект не является единственным видом фотоэффекта, существует также внутренний фотоэффект, наблюдаемый в диэлектриках и полупроводниках, Он заключается в возбуждении переходов электронов, поглотивших квант света, из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого появляется пара носителей тока и увеличивается проводимость вещества.

В области р-n-перехода и на границе металла с полупроводником наблюдается вентильный фотоэффект. Он заключается в возникновении под действием света электродвижущей силы в области р-n-перехода.

На основе фотоэффекта построены различные устройства, широко применяемые в технике. Это фотоэлементы, фотоумножители, фотосопротивления и т. д.