Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием света.

Фотоэффект возникает при взаимодействии вещества с поглощаемым электромагнитным излучением.

Различают внешний и внутренний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

Внутренним фотоэффектом называется явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе, а следовательно, и увеличения электропроводности вещества под действием света. Частным случаем внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект — явление возникновения под действием света электродвижущей силы в контакте двух различных полупроводников или полупроводника и металла. 

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888—1890 гг. А. Г. Столетовым. 

Законы фотоэффекта

1. Число фотоэлектронов, вырываемых за 1 с с поверхности катода, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты.

3. Красная граница фотоэффекта зависит только от рода вещества катода.

4. Фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом до вылета электронов проходит время  с

Первый закон фотоэффекта можно объяснить с помощью классической физики, но второй и третий законы не находят в ней объяснения. Дело в том, что согласно классической электродинамике энергия световой волны зависит только от ее амплитуды и не зависит от частоты. Поэтому невозможно объяснить установленный на опыте второй закон фотоэффекта, согласно которому максимальная кинетическая энергия вырванных электронов линейно возрастает при увеличении частоты падающего света. По той же причине не находит объяснения и третий закон фотоэффекта. Отметим еще одну особенность фотоэффекта, также необъяснимую в рамках классической электродинамики, - это «безынерционность» фотоэффекта. Опыт показывает, что фототок возникает сразу же при попадании света на электрод 1. Согласно же классической электродинамике для того, чтобы световая волна «раскачала» электрон, сообщив ему энергию, достаточную, чтобы он смог вырваться из металла, должно обязательно пройти некоторое время.

Нешний фотоэлектрический эффект

Явление внешнего фотоэлектрического эффекта (фото-электронной эмиссии) состоит в испускании электронов веществом при воздействии на них световой энергии. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Явление внешнего фотоэффекта было исследовано А.Г. Столетовым в 1888 году. Оказалось, что: 1) при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла в еди-ницу времени, пропорционально интенсивности света; 2) величина мак-симальной скорости фотоэлектронов не зависит от интенсивности па-дающего света, а определяется лишь длиной его волны   (частотой ν):   ; 3) каждому веществу свойственна длинноволновая (крас-ная) граница фотоэффекта   , зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности. При   фотоэффект не наблюдается.

С волновой точки зрения классическая физика эти особенности фотоэффекта не может объяснить. Полностью объясняет явление фотоэффекта лишь квантовая теория света, предложенная Эйнштейном в 1905 г. За открытие и объяснение законов фотоэффекта Эйнштейн в 1921 г. был удостоен Нобелевской премии по физике.

Современная квантовая теория рассматривает свет как поток отдельных частиц, называемых фотонами. Энергия фотона e зависит от частоты света n (длины волны l):

 , (2.1)

где h – постоянная Планка, c – скорость света в вакууме.

При фотоэффекте фотон, встречаясь со свободным электроном металла, отдает всю свою энергию   этому электрону. Электрон, получив энергию фотона, затрачивает часть ее на преодоление потенциального барьера (работу выхода электрона из металла А), а оставшаяся часть идет на сообщение этому электрону кинетической энергии вне металла   . По закону сохранения энергии,

 , или   . (2.2)

Это соотношение получило название уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна видно, что скорость электрона   , вырванного из металла в результате фотоэффекта (фотоэлектрона), зависит от частоты n (длины волны l) падающего света, так как величины h, m, A (для данного металла) постоянные. Следовательно, если   то и   , тогда

 . (2.3)

Более того, скорость фотоэлектронов   не зависит от интенсивности I падающего света, поскольку интенсивность монохроматического (   ) света определяется числом фотонов в пучке:   . Если большее число фотонов N встречается со свободными электронами внутри металла, то будет больше вырванных фотоэлектронов, скорость же их не изменится.