29.2. Зовнішній фотоефект

Явище взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною, при якому енергія передається безпосередньо електронам речовини, і вони виходять у навколишній простір, називається зовнішнім фотоефектом.

Експериментально були встановлені такі закономірності фотоефекту:

1) максимальна енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла;

2) максимальна енергія фотоелектронів пропорційна частоті падаючого світла;

З) число фотоелектронів пропорційно інтенсивності світла;

4) існує деяке граничне значення частоти ₀, яке називається червоною границею фотоефекту – при частоті світла ₀ фотоефект припиняється;

5) фотоефект практично безінерційний.

Ці закономірності не могли бути пояснені з точки зору хвильової природи світла. Згідно з цією теорією енергія фотоелектронів повинна бути пропорційна інтенсивності падаючого світла, а червоної границі взагалі не повинно існувати.

Правильна теорія фотоефекту дана . Ейнштейном (1905 р.), що виходив з корпускулярних уявлень про природу світла. Згідно з А. Ейнштейном явище фотоефекту являє собою непружне зіткнення кванта світла (фотона) з одним із електронів речовини, в результаті якого електрон, що одержав надлишкову енергію, може вийти за межі речовини. Закон збереження енергії в цьому процесі описується рівнянням Ейнштейна.

(29.17)

де h — енергія фотона; А — робота виходу електрона з речовини.

З рівняння (29.17) видно, що mv²/2  , тим самим пояснюється друга закономірність фотоефекту. Існування червоної границі фотоефекту пояснюється тим, що в міру зменшення частоти падаючого світла зменшується також кінетична енергія електронів і при деякій частоті =₀ mv²/2=0 фотоефект припиняється.

Порогову частоту ₀ можна знайти з умови h₀=A, звідки

Інтенсивність світла визначається співвідношенням I=Nh де N— число квантів світла й тому з ростом інтенсивності світла зростає число актів взаємодії фотонів з електронами (і зростає число електронів, що вилетіли, але не їх енергія). Цим пояснюється перша й третя закономірноcті фотоефекту.

Рівняння (29.17) описує так званий однофотонний фотоефект, коли електроном поглинається лише один фотон (ймовірність одночасного поглинання електроном двох і більш фотонів настільки мала, що нею можна знехтувати). У зв'язку зі створенням потужних джерел монохроматичного випромінювання (лазерів), був виявлений багатофотонний фотоефект. У цьому випадку електрон може одночасно поглинути не один, а кілька фотонів. Рівняння Ейнштейна для багатофотонного фотоефекту приймає вигляд

При цьому гранична частота зсувається в область малих частот.

Явище зовнішнього фотоефекту знаходить широке застосування в техніці для перетворення світлових сигналів в електричні з наступною їх обробкою. Розглянемо основні типи фотоелектричних приладів, які використовують зовнішній фотоефект.

1. Вакуумні фотоелементи — це фотокатод (найчастіше з лужного металу) і анод, поміщені в прозору колбу, у якій створюється високий вакуум. Переваги цих фотоелементів наступні: строга пропорційність між силою фотоструму та світловим потоком; мала інерційність (10^-9…10^-10с); відсутність утомних явищ; високий внутрішній опір. Основний недолік — невисока чутливість 1...10 мкА/лм. Область застосування – точні вимірювання світлових потоків у лабораторних умовах.

2. Газонаповнені фотоелементи відрізняються від вакуумних тим, що їх балон заповнюється інертним газом при невисокому тиску (P0,1...1 Па).

При проходженні через газ фотоелектронів останні іонізують його атоми що приводить до зростання струму й трохи більш високої чутливості 10…100мкА/лм. Газонаповнені фотоелементи також мають строгу пропорційність між світловим потоком і силою струму, а їх інерційність (10^-9…10^-10с) достатня для більшості практичних застосувань. Внаслідок протікання необоротних процесів адсорбції газу-наповнювача стабільність їх роботи трохи нижча, ніж у вакуумних фотоелементів.

Рис. 29.4

3. Фотоелектронні помножувачі (рис. 29.4). У цих приладах для посилення фотоструму використається явище вторинної електронної емісії, що складається у вибиванні з металу вторинних електронів при його бомбардуванні прискореними електронами. При попаданні світла на фотокатод К з нього вибиваються електрони, які прискорюються електричним полем при русі до електрода Е₁, зарядженому позитивно, і вибивають із нього вторинні електрони. Далі цей процес повторюється на наступних електродах Е_2,^,Е₃,···, Е_N і в результаті в ланцюзі анода виникає значний струм. Чутливість фотопомножувачів досить велика й становить 0,1...1 А/лм. Їхні недоліки: складність конструкції й необхідність використання високих напруг (U  1…1,5кВ). Область застосування – реєстрація дуже слабких світлових потоків.