Теоретичні відомості. Зовнішнім фотоефектом (або просто – фотоефектом) називають вивільнення електронів з поверхні твердих тіл або рідин під дією електромагнітного випромінювання

Зовнішнім фотоефектом (або просто – фотоефектом) називають вивільнення електронів з поверхні твердих тіл або рідин під дією електромагнітного випромінювання. Це явище було відкрито у 1887 р. німецьким фізиком Г.Герцем.

Внутрішній фотоефект (або фотопровідність) – явище, яке полягає у збільшенні електропровідності (концентрації вільних носіїв) під час освітлення напівпровідникових матеріалів.

Вентильний фотоефект – явище виникнення електрорушійної сили при освітленні контакту двох напівпровідників різного типу провідності або контакту напівпровідника з металом.

Електрична схема установки для дослідження фотоефекту показана на рис. 1. Головною її частиною є фотоелемент (ФЕ), за допомогою якого енергія випромінювання перетворюється в електричний струм. Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом являють собою скляні балони, всередині яких розміщено фотокатод і анод. Фотокатодом є шар лужного або лужно-земельного металу, нанесеного на внутрішню поверхню балона. Анод у більшості випадків має форму кульки або петлі.

Якщо прикласти між електродами напругу, отримаємо готовий до дії ФЕ, в якому під дією світла електрони почнуть покидати катод і прямувати до анода, тобто в електричному колі з’явиться струм, який називають фотострумом.

На рис. 2 зображені вольт-амперні характеристики ФЕ, тобто залежність сили фотоструму I від напруги U між електродами для трьох різних світлових потоків, які падають на катод. Як видно, за деякої напруги фотострум досягає свого найбільшого значення і далі не залежить від напруги. Цю найбільшу силу струму називають струмом насичення I_н. Величина струму насичення збільшується в разі підвищення інтенсивності світла, що освітлює ФЕ.

Фотострум існує і в тому разі, коли напруга між електродами фотоелемента U=0. Він припиняється для даної речовини фотокатода тільки за певного від’ємного значення різниці потенціалів. Цю різницю потенціалів називають гальмівною напругою U_з. Значення гальмівної напруги прямо пропорційне частоті падаючого світла і не залежить від його інтенсивності. У результаті узагальнення експериментальних даних було встановлено три закони фотоефекту:

1) у разі незмінного спектрального складу світла сила фотоструму насичення I_н прямо пропорційна світловому потоку Ф, що падає на катод: I_н = gФ, де g – коефіцієнт, який називають інтегральною фоточутливістю катода;

2) максимальна кінетична енергія W_к вивільнених світлом електронів не залежить від інтенсивності випромінювання, а визначається тільки його частотою n (або довжиною хвилі l = с/n);

3) існує так звана “червона межа фотоефекту” – найбільша довжина хвилі l_чер (або найменша частота n_чер) світла, для якої фотоефект ще може спостерігатися. Ця межа визначається матеріалом фотокатода і не залежить від інтенсивності світла, що падає на катод.

У 1905 р. А.Ейнштейн показав, що закони фотоефекту можна повністю пояснити з точки зору квантової теорії світла; електрон поглинає енергію кванта (фотона) hn повністю. Ця енергія витрачається на подолання електроном потенціального бар’єру у металі, тобто на роботу виходу A та надання кінетичної енергії вивільненому електрону. Якщо електрон поглинув фотон не у самої поверхні, а на деякій глибині, то частина енергії буде витрачена внаслідок зіткнень електрона в речовині. Максимальну кінетичну енергію матимуть електрони, вивільнені з самого верхнього шару. На основі таких уявлень А.Ейнштейн, застосувавши закон збереження енергії до взаємодії фотона з електроном, дістав рівняння для зовнішнього фотоефекту, що носить його ім’я:

, (1)

де h – стала Планка; n – частота випромінювання; A – робота виходу; m_e – маса електрона; – максимальна швидкість вивільнених електронів.

Квантова теорія світла так пояснює закони фотоефекту. У разі збільшення інтенсивності випромінювання зростає кількість фотонів, що поглинаються речовиною, а отже, і число вивільнених електронів, тому сила фотоструму прямо пропорційна інтенсивності світла (світловому потоку) – перший закон.

З формули (1) видно, що кінетична енергія вивільнених електронів залежить тільки від властивостей самої речовини, з якої виготовлений катод (робота виходу A), і частоти світла n, тобто – від енергії фотона, а від інтенсивності світла не залежить – другий закон.

Якщо енергія фотона менше за роботу виходу, то за будь-якої інтенсивності світла електрони вилітати з поверхні речовини не будуть – третій закон.

Довжину хвилі, що відповідає червоній межі фотоефекту для будь-якого металу, можна знайти з (1), взявши кінетичну енергію електронів за нуль, тоді hn_чер = A, або:

, (2)

де c – швидкість світла в вакуумі (c = 3·10⁸ м/c).

У наш час ФЕ знайшли саме широке застосування: в кіно – для відтворення звуку, записаного на кінострічці у вигляді звукової доріжки; в фотометрії – для вимірювання сили світла, яскравості, освітленості; у військовій справі – прилади нічного зору, системи наведення і т.д. Безінерційність ФЕ, тобто їх властивість практично миттєво реагувати на появу світла або його зміну, використовується в фотореле, які автоматично управляють найрізноманітнішими процесами (автоматичні лічильники на конвеєрі, охоронна сигналізація, автоматичне включення і виключення світла при зміні освітленості і т.п.).