Фотоефект. Види фотоефекта. Закони зовнішнього фотоефекта.
Лекція № 44.
Розрізняють фотоефект зовнішній, внутрішній і вентильний. Зовнішнім фотоефектом називається висилання електронів речовиною під дією електромагнітного випромінювання. Зовнішній фотоефект спостерігається у твердих тілах, а також у газах на окремих атомах і молекулах (фотоіонізація). Явище фотоефекту відкрите у 1887 р. Г. Герцом, що спостерігав посилення процесу розряду при опроміненні іскрового проміжку ультрафіолетовим випромінюванням. Перші фундаментальні дослідження фотоефекту виконані російським вченим А. Г. Столєтовим. Схема для дослідження фотоефекту приведена на малюнку. Два електроди (катод К з досліджуваного металу та анод А – у схемі Столєтова застосовувалася металева сітка) у вакуумній трубці підключені до батареї так, що за допомогою потенціометра R можна змінювати не тільки значення, але і знак напруги, що на них подається. Тік, що виникає при освітленні катода монохроматичним світлом (через кварцове віконце), виміряється включеним у коло міліамперметром. Опромінюючи катод світлом різних довжин хвиль, Столєтов знімав вольт-амперну характеристику. Він встановив наступні закономірності: 1) найбільш ефективну дію викликає ультрафіолетове випромінювання; 2) під дією світла речовина втрачає тільки негативні заряди; 3) сила струму, що виникає під дією світла, прямо пропорційна його інтенсивності. Дж. Томсон у 1898р. вимірив питомий заряд частинок, що випромінюються під дією світла. Ці виміри показали, що під дією світла вилітають електрони.
Внутрішній фотоефект – це викликані електромагнітним випромінюванням переходи електронів усередині напівпровідника або діелектрика зі зв'язаних станів у вільні без вильоту назовні. У результаті концентрація носіїв струму усередині тіла збільшується, що приводить до виникнення фотопровідності.
Вентильний фотоефект – виникнення Е.Р.С. при освітленні контакту двох різних напівпровідників або напівпровідника і металу при відсутності зовнішнього електричного поля.
При вивченні вольт-амперних характеристик різноманітних матеріалів при різних частотах падаючого на катод випромінювання і різних енергетичних освітленостей катода та узагальнення отриманих даних були встановлені наступні три закони зовнішнього фотоефекта.
І. При фіксованій частоті падаючого світла число фотоелектронів, що вириваються з катода в одиницю часу, пропорційно інтенсивності.
ІІ. Максимальна початкова кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою, а саме лінійно зростає зі збільшенням частоти.
ІІІ. Для кожної речовини існує "червона границя" фотоефекту, тобто мінімальна частота світла або максимальна довжина хвилі, при якій світло будь-якої інтенсивності фотоефекта не викликає.
З хвильової теорії світла свідчить, що кінетична енергія, з якою електрон виривається з металу, повинна була б залежати від інтенсивності падаючого світла, тому що зі збільшенням останньої електронові передавалася б більша енергія. Однак цей висновок суперечить ІІ законові фотоефекта, оскільки по хвильовій теорії, енергія, передана електронам, пропорційна інтенсивності світла, то світло будь-якої частоти, але досить великої інтенсивності повинно було б виривати електрони з металу; іншими словами, "червоної границі" фотоефекту не повинно бути, що суперечить ІІІ законові фотоефекту. Теорію фотоефекту створив у 1905 р. А. Ейнштейн. Він показав, що явище фотоефекту і його закономірності можуть бути пояснені тільки на основі запропонованої їм квантової теорії. Згідно Ейнштейну, світло частотою n не тільки випускається, як це припускав Планк, але і поширюється в просторі і поглинається речовиною окремими порціями (квантами), енергія яких Е0=hn. Таким чином, поширення світла потрібно розглядати не як безперервний хвильовий процес, а як потік локалізованих у просторі дискретних світлових квантів, що рухаються зі швидкістю поширення світла у вакуумі. Ці кванти електромагнітного випромінювання одержали назву фотонів. По Ейнштейну, кожен квант поглинається тільки одним електроном. Тому число вирваних фотоелектронів повинне бути пропорційно інтенсивності світла (І закон фотоефекта). Енергія падаючого фотона витрачається на здійснення електроном роботи виходу Авих з металу і на передачу фотоелектронові, що вилетів, кінетичної енергії . За законом збереження енергії: . Отримане рівняння називається рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекта. Рівняння Ейнштейна дозволяє пояснити ІІ й ІІІ закони фотоефекта. З нього безпосередньо випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектрона лінійно зростає зі збільшенням частоти падаючого випромінювання і не залежить від його інтенсивності (числа фотонів), тому що ні А, ні n від інтенсивності світла не залежать (ІІ закон фотоефекта). Оскільки зі зменшенням частоти світла кінетична енергія фотоелектронів зменшується, те при деякої досить малій частоті або великій довжині світлової хвилі кінетична енергія фотоелектронів стане рівної нулю і фотоефект припиниться (ІІІ закон фотоефекта). Рівняння Ейнштейна для червоної границі фотоефекту має вигляд: або , де nmin або – червона границя фотоефекту для даного металу. Вона залежить лише від роботи виходу електрона, тобто від хімічної природи речовини і стану його поверхні. Якщо інтенсивність світла дуже велика, то можливий багатофотонний фотоефект, при якому електрон, що випускається металом, може одночасно одержати енергію не від одного, а від N фотонів (N = 2...7). Рівняння Ейнштейна для багатофотонного фотоефекту має вигляд: . У дослідах з лазерними пучками густина фотонів дуже велика, тому електрон може поглинути не один, а кілька фотонів. При цьому електрон може придбати енергію, необхідну для виходу з речовини, навіть під дією світла з частотою, меншої "червоної границі" – порога однофотонного фотоефекту. У результаті "червона границя" зміщається убік більш довгих хвиль.