Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта

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.

Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта - student2.ru Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта - student2.ru Первые фундаментальные исследования внешнего фотоэффекта выполнены русским ученым А. Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис.18. 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. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие законы внешнего фотоэффекта:

I. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Ее катода).

Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта - student2.ru 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.

Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта - student2.ru III. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

На рис.19 приведена вольт-амперной характеристики 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 Iн называется фототоком насыщения. Его величина зависит только от освещенности (количеством квантов света попавших на катод).

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 Uo, 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 Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта - student2.ru , 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,

Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта - student2.ru

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

Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта - student2.ru

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:

Виды фотоэффекта. Законы внешнего фотоэффекта - student2.ru

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.

Наши рекомендации