18.7. Фотоефект

1. Зовнішний фотоефект. Явище зовнішнього фотоефекта відкрив у 1887 році Г.Герц. Досліджуючи іскровий розряд між двома зарядженими кулями, він виявив, що розряд починається при менших зарядах куль, якщо їх освітлювати ультрафіолетовими променями. Це явище виникає завдяки випусканню освітленою поверхнею твердого тіла або рідини електронів. Систематичне дослідження фотоефекта провів в 1888-89 роках А.Г.Столетов. Принципова схема досліду подана на На схемі К катод, А  анод, світловий потік, е  фотоелектрон. При падінні світла на катод, із нього вилітають електрони і в електричному колі виникає струм. Залежність величини струму від прикладеної до електродів напруги (вольт-амперна характеристика) подана на В результаті досліджень вольт-амперної характеристики фотоефекта, А.Г.Столетов установив такі закономірності.

1) максимальна початкова швидкість фотоелектронів визначається лінійною залежністю від частоти світла і не залежить від його інтенсивності.

2) для кожної речовини існує своя довгохвильова (червона) границя ­­­­ світло з довжиною хвилі не викликає фотоефект.

3) існує струм насичення вольт - амперної характеристики фотоефекта, який пропорційний інтенсивності падаючого випромінювання, тобто число фотоелектронів пропорційне числу падаючих квантів світла.

Останні дві закономірності вказують на квантовий характер явища.

Якщо фотострум насичення , як функція довжини світламонотонно спадає до 0 на довгохвильовій границі, то такий фотоефект називають нормальним (див.а)) У тому випадку, коли фотострум насичення, як функція довжини хвилімає максимум на деякій довжині хвилі, то такий фотоефект називається селективним (див.б)). При цьому величина струму насичення залежить від поляризації світла та кута падіння. Селективний фотоефект спостерігається у калія К, натріяNa ,а також у їх сплаві з.

2. Внутрішній фотоефект. Крім описаного вище зовнішнього фотоефекта існує ще й внутрішній фотоефект, при якому електрони, залишаючись у речовині, змінюють у ньому свій енергетичний стан. Так, у напівпровідниках і діелектриках частина електронів під дією світла з валентної енергетичної зони переходить у зону провідності. При цьому збільшується електропровідність речовини. Таке явище називаютьфотопровідністю.Зміна енергетичних станів електронів (їхній перерозподіл) може привести до зміни внутрішнього електричного поля в кристалі і, як результат цього, до появи ЕРС, називаноїфото-ЕРС.На границі двох різних напівпровідників чи напівпровідника й металу утвориться перехідний шар, що пропускає струм тільки в одному напрямку. При опроміненні цієї границі світлом, фотоелектрони створюють струм. У газах явище фотоефекта полягає у фотоіонізації, при якій відбувається іонізація атомів і молекул під дією випромінювання.

Фотоефект знайшов широке застосування в різних технічних пристроях: фотоелементах, фотоопорах, фотодіодах, фотоелектронних помножувачах та ін.

3. Квантова теорія фотоефекта Ейнштейна.

а. Робота виходу. При Т>0 К, за рахунок кінетичної теплової енергії ~кТ, вільні електрони мають можливість відриватися від поверхні кристала. При цьому його кінетична енергія перетворюється у потенціальну енергію електричної взаємодії з додатно зарядженою решіткою. Під дією кристалічного поверхневого поля, електрон повертається усередину кристала. За деякий час установлюється динамічна рівновага між кількістю електронів, що вийшли із кристала за його поверхню, і числом електронів, що повернулися усередину кристала, під дією кулонівських сил. Така рівновага підтримує над поверхнею кристала електронну хмарку із середнім зарядом q_- та потенціалом . Рівночасно на поверхні кристала індукується некомпенсований додатний заряд та потенціал іонів кристалічної решітки тої ж величини, що й в електронної хмарки ­­­­ q₊, . Таким чином над поверхнею кристала створюється подвійний потенціальний бар’єр для електронів, що знаходяться усередині металу. Справді, для того, щоб такий електрон вилучити із середини кристала за поверхню, необхідно виконатироботу виходу проти кулонівських сил тяжіння заряду ­­­­ , та сил відштовхування зарядом­­­­ . Ця робота дорівнює

, (1)

де ­­­­ поверхнева різниця потенціалів.

б. Рівняння Ейнштейна для фотоефекта. Ейнштейн установив, що в елементарному акті фотоефекта відбувається взаємодія електрона з квантом світла, у результаті чого електрон може поглинути квант, збільшуючи свою кінетичну енергію. За рахунок цієї, додаткової до теплової, енергії поглинутого кванта, електрон може виконати роботу виходу А з речовини. Енергетичне рівняння виходу електрона з речовини за Ейнштейном має вигляд

. (2)

У формулі (2), записаній для фотоелектрона,  енергія поглинутого електроном кванта, А  робота виходу, V  швидкість виходу електрона з металу. Формула (2) пояснює 1-й та 2-й закони Столетова. Виходячи з природи виникнення фотоелектронів, можна стверджувати, що їх кількість пропорційна числу падаючих квантів світла, що і є поясненням 3-го закону Столетова. Величину залишкової кінетичної енергії можна визначити, якщо створити гальмуюче рух електрона електричне поле. При цьому, величина затримуючої напруги, при якій зникає фотострум, визначає роботу поля по гальмуванню електрона і тому

. (3)

Крім однофотонного фотоефекта можливі багатофотонні фотоефекти, коли під дією лазерного електромагнітного випромінювання електрон поглинає декілька фотонів і виходить за поверхню металу.