Основні теоретичні відомості. Фотоефектом називається явище зміни енергетичного стану електронів під дією світла

Фотоефектом називається явище зміни енергетичного стану електронів під дією світла. Він був відкритий у 1887 р. німецьким фізиком Г. Герцом. Розрізняють внутрішній і зовнішній фотоефекти.

Внутрішній фотоефект спостерігається в напівпровідниках і діелектриках і полягає в зміні концентрації носіїв струму під дією світла.

Зовнішній фотоефект спостерігається в металах і полягає у вивільненні електронів з поверхні металу під дією світла.

Експериментально були встановлені такі закони зовнішнього фотоефекту:

1. Сила фотоструму насичення пропорційна потоку світлової енергії Ф, який падає на поверхню металу (закон Столєтова):

І _нас. = kФ,

де k – коефіцієнт пропорційності, який називається чутливістю металу до фотоефекту.

2. Максимальна швидкість вивільнених з металу електронів залежить лише від частоти падаючого світла.

3. Незалежно від інтенсивності падаючого світла фотоефект спостерігається лише при довжинах хвиль, менших від деякого критичного значення λ_кр., характерного для даного металу. Ця довжина хвилі називається червоною межею фотоефекту.

Зовнішній фотоефект безінерційний, тобто він практично припиняється одразу після припинення освітлення (τ =10^-8 с).

Закони фотоефекту не можна пояснити на основі уявлень про хвильову природу світла. А. Ейнштейн у 1905 р. вперше пояснив явище зовнішнього фотоефекту, виходячи з квантової теорії світла. Згідно з рівнянням Ейнштейна енергія кванта падаючого світла Е = hν витрачається на роботу виходу електрона з поверхні металу та на надання йому кінетичної енергії:

hν = А + , (3.1)

де h = 6,62 ٠10^-34 Дж٠с – стала Планка; ν – частота падаючого світла; А – робота виходу електрона з металу (енергія, яку необхідно надати електрону, щоб він залишив метал; вона залежить від роду металу та чистоти його поверхні); m – маса електрона, V_max – найбільша швидкість, яку мають електрони, вивільнені з найвищого енергетичного стану.

Рівняння Ейнштейна є законом збереження енергії для зовнішнього фотоефекту. Воно дозволяє теоретично обґрунтувати закони фотоефекту, що були встановлені експериментально:

збільшення інтенсивності потоку світла фіксованої частоти означає збільшення числа фотонів, які падають на поверхню металу за одиницю часу, що призводить до збільшення кількості вивільнених електронів, а отже, і до збільшення струму насичення;

виходячи з рівняння Ейнштейна (3.1), отримаємо вираз для швидкості вирваних електронів

. (3.2)

Видно, що для конкретного металу V_max залежить лише від частоти падаючого світла ν;

частоту (довжину хвилі), яка відповідає червоній межі фотоефекту ν₀ (λ₀), можна знайти при умові, що кінетична енергія вивільненого електрона дорівнює нулю:

hν₀ = А + 0, (3.3)

звідки

(3.4)

або

. (3.5)

Вакуумний фотоелемент являє собою скляний або кварцевий балон, з якого викачане повітря; на внутрішню поверхню цього балону нанесений шар світлочутливого металу (катод). Щоб збільшити освітленість катоду, анод фотоелементу виготовляють у вигляді кільця або спіралі.

Кванти світла, які потрапляють на катод, виривають з його поверхні електрони. Якщо між анодом і катодом прикласти різницю потенціалів, то під дією електричного поля вивільнені електрони рухаються до аноду, тобто виникає електричний струм. Для фотоелемента сила фотоструму залежить від освітленості катода, частоти (довжини хвилі) падаючого світла та різниці потенціалів між анодом і катодом.

Залежність сили струму від прикладеної напруги називається вольт-амперною характеристикою фотоелементу. На рис. 3.1 показані типові вольт-амперні характеристики фотоелементів при різних світлових потоках (Ф₂>Ф₁). Із збільшенням напруги все більша частина вирваних фотоелектронів досягає анода. Починаючи з деяких значень напруги, фотострум досягає максимального значення і не змінюється із збільшенням напруги. Такий струм називається фотострумом насичення.

З рис. 3.1 видно, що при освітленні фотокатода в колі може протікати струм І₀ навіть при нульовій напрузі. Цей струм зумовлений тим, що електрони з фотокатода вилітають з деякою швидкістю і частина з них може долетіти до анода.

Рис. 3.1

Для припинення фотоструму до анода і катода треба прикласти затримуючу напругу U₃, яка визначається з умови

. (3.6)

Світловою характеристикою фотоелемента називається залежність фотоструму від освітленості катода при сталій напрузі. Світлова характеристика вакуумних фотоелементів лінійна.

Явище фотоефекта широко застосовується в науці і техніці для реєстрації та вимірювання світлових потоків (фотопомножувачі), в автоматичних пристроях та лініях (фотореле), для перетворення світлової енергії в електричну (сонячні батареї).

Потрібне устаткування: вакуумний фотоелемент, оптична лава з освітлювачем – лампою розжарювання, блок живлення з регульованою напругою, вольтметр, мікроамперметр.