§ 10. Явище фотоефекта.

Світло, взаємодіючи з речовиною, викликає ряд фізичних явищ, вивчення яких дозволяє розкрити фізичну природу світла. Хвильова природа світла знайшла своє відображення в явищах інтерференції, дифракції, поляризації, дисперсії й інших і одержала пояснення й опис у рамках електромагнітної теорії. Серед явищ, що підтверджують квантову природу світла, важливе місце займають фотоелектричні явища, що відбуваються в речовині під дією електромагнітного випромінювання. До них відносяться: зовнішній і внутрішній фотоефект, фотопровідність, вентильний фотоефект та ін. Усі вони обумовлені відхиленнями від рівноваги, що існує між електронами й атомною сполукою (кристалічною решіткою) речовини, викликаними наданням цій системі енергії, що переноситься електромагнітним випромінюванням. У результаті цього може змінюватися електропровідність, виникати ЕРС і відбуватися емісія електронів.

Фундаментальну роль в експериментальному обґрунтуванні квантової теорії світла зіграло відкриття й дослідження зовнішнього фотоефекта (фотоелектронної емісії). Він полягає в емісії електронів із речовини (у вакуум чи іншу речовину) під дією світла. Зовнішній фотоефект може спостерігатися на окремих атомах чи молекулах (фотоіонізація), в атомних ядрах (фотоядерні реакції під дією випромінювання) і у твердих й рідких тілах (у металах і напівпровідниках).

Елементарний акт зовнішнього фотоефекта з точки зору квантової теорії полягає в наступних процесах: проникнення фотона в атом і поглинання його електроном; рух електрона з надлишковою енергією до поверхні тіла, подолання поверхневого потенціального бар'єра. При проходженні потенціального бар'єра електрон виконує роботу виходу за рахунок енергії поглинутого кванта.

Робота виходу. Справа у тому, що у металі вільні електрони, маючи теплову кінетичну енергію ~ kT, можуть виходити за поверхню металу, створюючи електронну хмарку. Одночасно на поверхні металу створюється некомпенсований додатний заряд іонів кристалічної решітки. Таким чином, щоб електрон вийшов за поверхню металу, він повинен подолати сили відштовхування електронної хмарки й сили тяжіння додатних іонів, тобто подолати потенціальний бар'єр, виконавши роботу виходу. У випадку внутрішнього фотоефекта, затримуючий потенціальний бар'єр утворюється за рахунок інших процесів. Так, наприклад, на границі двох напівпровідників із n- та р-провідністю, у результаті дифузії дірок та електронів у сусідні області та послідуючої рекомбінації їх-зайняття вакансій у зв'язках решітки, утворюється потенціальний бар'єр відємно та додатне заряджених іонів. Для подолання цього бар'єра потрібно виконати певну роботу, яка має ту ж назву - робота виходу.

В перелічених процесах затрачається енергія, рівна роботі виходу. Кожен атом і кожна речовина, у залежності від стану його поверхні, характеризується певним значенням роботи виходу чи потенціалом виходу , рівним

(1)

де е - заряд електрона.

Якщо енергія квантів світла (де частота світла, а h -постійна Планка), що проникли в атом, виявиться менше емісії електрона не буде. З цієї умови одержуємо граничну частоту фотоефекта

(2)

називану порогом чи “червоною границею фотоефекта".

Якщо частота падаючого світла більше граничної, вибиті з речовини електрони будуть мати деяку надлишкову кінетичну енергію. Максимальна швидкість V фотоелектронів може бути знайдена з рівняння Ейнштейна, що виражає собою закон збереження енергії в елементарному акті зовнішнього фотоефекта

. (3)

Цю формулу можна записати через довжину світлової хвилі , з огляду на співвідношення , де c - швидкість світла у вакуумі

. (4)

При зовнішньому фотоефекті енергія кванта світла витрачається на виривання з металу електрона і наданням йому кінетичної енергії.

На фотоелектрон можна впливати зовнішнім електричним полем. Під дією гальмуючого електричного поля можна, погасивши кінетичну енергію електрона, зменшити його швидкість до нуля. Витрачена у цьому випадку робота електричного поля (де затримуюча напруга) дорівнює кінетичній енергії електрона

. (5)

Тепер рівняння Ейнштейна прийме вид:

. (6)

З рівняння випливає, що величина залежить від частоти світла, що викликає фотоефект, лінійно зростаючи з її збільшенням.

Робота виходу у різних речовинах може відрізнятися в кілька разів, складаючи величину у декілька електрон-вольт. На роботу виходу речовини істотно впливає наявність на її поверхні тонкого шару чужорідних атомів (наприклад, торій на вольфрамі, цезій на сурмі і т.п.). Сильне зменшення роботи виходу викликає плівка металів I і ІІ групи елементів і їхніх окислів на важких металах ( і ін.). Навпаки, наявність плівок галоїдів і адсорбованого кисню приводить до збільшення роботи виходу. На практиці при виготовленні емітерних фотоелементів широко використовується покриття поверхні фотокатода речовинами, що знижують роботу виходу (лужними елементами, напівпровідниками і т.п.). Дослідним шляхом значення , знаходять за вольт-амперною характеристикою фотоелемента . За приймають найменшу замикаючу напругу, якій відповідає абсциса точки перетинання графіка з віссю напруги. Для одержання залежності затримуючої напруги від частоти світла на практиці користуються монохроматичними світловими потоками, одержуваними, наприклад, за допомогою світлофільтрів.