Фотоэффект

Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный.

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Внутренний фотоэффект — это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей зарядов внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению э.д.с.

Вентильный фотоэффект — возникновение э.д.с. (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Рис. 3.3

Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 3.3. Два электрода в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом, измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Столетов установил следующие законы внешнего фотоэффекта:

I. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени (а, следовательно и сила фототока насыщения), пропорционально интенсивности.

II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν, а именно линейно возрастает с увеличением частоты.

III. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

На рис. 3.4. приведена вольт-амперная характеристика фотоэффекта — зависимости фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещенностям катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т. е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока I_н называется фототоком насыщения. Его величина зависит только от освещенности (количеством квантов света попав ших на катод). Рис. 3.4

Из вольт-амперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью и, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U₀, при котором ни один из электронов не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Т.е. зная задерживающее напряжение U₀, можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

А. Эйнштейн в 1905 г. объяснил явление фотоэффекта. По Эйнштейну, каждый квант падающего на катод света, энергия которого , поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии. По закону сохранения энергии получим,

(3.2.1)

Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Видно, что с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов будет уменьшается (для данного металла А = const), и при некоторой частоте ν=ν₀ кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (III закон фотоэффекта). Максимальная частота при которой прекращается фотоэффект, определяемая выражением

(3.2.2)

называется «красная граница» фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т. е. от химической природы вещества и состояния его поверхности.

Часто уравнение фотоэффекта записывают в следующем виде:

U₀ - задерживающее напряжение, напряжение при котором при данной частоте не наблюдается фотоэффект, e. – заряд электрона, величина U₀e численно равна кинетической энергии электронов, выбиваемых при фото эффекте, т.е.

(3.2.3)