§ 33. Фотоефект

Розрізняють внутрішній і зовнішній фотоефект. Внутрішній фотоефект полягає в збільшенні провідності напівпровідників під дією світла. При опроміненні напівпровідника світлом електрони відриваються від атомів, але залишаються всередині кристалу, в результаті чого збільшується провідність напівпровідника.

З

Рис. 1

овнішній фотоефект – це явище виривання електронів з поверхні металу під дією світла. Зовнішній фотоефект був відкритий Герцем у 1887 р. і досліджений Столєтовим у 1888-89 рр. Схема дослідів Столєтова приведена на рис. 6.29. Ця схема дозволяє дослідити вольт-амперну характеристику вакуумного фотоелемента, тобто залежність фотоструму І від напруги U між електродами. Криві на рис. 1 відповідають двом різним освітленостям Ф катода. При збільшенні напруги все більша кількість вибитих електронів досягає анода, тому фотострум зростає. Максимальне значення фотоструму І_н (струм насичення) відповідає таким значенням U, при яких усі електрони досягають анода. З воль-амперної характеристики видно, що при фотострум не зникає. Електрони, вибиті світлом з катода, мають відмінну від нуля кінетичну енергію і можуть досягти анода без зовнішнього поля. Для припинення фотоструму необхідно прикласти затримуючу напругу . При такій напрузі жоден з електронів не може досягнути анода. Отже, , тобто вимірюючи , можна знайти максимальне значення швидкості і кінетичної енергії фотоелектронів.

Основні закономірності фотоефекту:

1. Сила фотоструму насичення прямо пропорційна до інтенсивності світла, яке падає на катод;

2. Кінетична енергія вирваних електронів збільшується зі збільшенням частоти падаючого світла і є лінійною функцією частоти;

3. Існує мінімальна частота, з якої починається фотоефект, яка називається червоною межею фотоефекту;

4. Фотоефект без інерційний.

Теоретичне пояснення фотоефекту дав Ейнштейн у 1905 р. Він використав гіпотезу Планка про квантову природу випромінювання світла. Згідно з законом збереження енергії енергія поглинутого фотона йде на роботу виходу електрона з металу і на надання електрону кінетичної енергії:

(1)

Це рівняння Ейнштейна для фотоефекту. Воно дає можливість правильно пояснити всі закони фотоефекту. Збільшуючи світловий потік даного спектрального складу, ми збільшуємо число фотонів, які падають на фотокатод. Це призводить до зростання кількості вирваних електронів, а, отже, і до зростання струму насичення (І закон фотоефекту).

Із (1) безпосередньо випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектрона лінійно зростає зі збільшення частоти падаючого випромінювання і не залежить від його інтенсивності (ІІ закон фотоефекту).

З рівняння Ейнштейна також випливає, що найменша частота світла, під дією якого відбувається фотоефект, визначається з умови ; звідси

. (2)

Найменша частота ν₀ (найбільша довжина хвилі λ₀), при якій ще можливий фотоефект, є червоною межею фотоефекту (ІІІ закон фотоефекту). Ця частота залежить тільки від роботи виходу електрона, тобто від хімічної природи речовини і стану її поверхні.