Фотоэффект. Большое число современных промышленных и лабораторных установок для измерения, контроля и регулирования различных физических и технологических процессов

Большое число современных промышленных и лабораторных установок для измерения, контроля и регулирования различных физических и технологических процессов основаны на применении чувствительных к свету элементов – фотоэлементов.

В фотоэлементах используются электрические явления, возникающие в металлах и полупроводниках под действием падающего на их поверхность света. Эти явления носят название фотоэффекта и заключаются в том, что электроны, находящиеся внутри проводника, получают дополнительную энергию от светового потока.

В настоящее время известны три вида фотоэффекта:

1. Внешний фотоэффект, представляет собой фотоэлектронную эмиссию с поверхности металлов.

2. Внутренний фотоэффект, заключающийся в изменении электрического сопротивления некоторых полупроводников под действием света.

3. Вентильный фотоэффект, в результате которого возникает разность потенциалов между слоями двух веществ с различной природой электропроводности.

Соответственно названным трем видам фотоэффекта различают три типа фотоэлементов: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотосопротивления с внутренним фотоэффектом и вентильные фотоэлементы.

В 1890 году А.Г. Столетовым были сформулированы три закона для внешнего фотоэффекта:

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности катода).

2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой n.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности) – минимальная частота света, ниже которой фотоэффект невозможен.

Для объяснения механизма фотоэффекта Эйнштейн предположил, что свет частотой n не только испускается отдельными квантами (согласно гипотезе Планка), но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых .

Кванты электромагнитного излучения, движущиеся со скоростью света с в вакууме, называются фотонами.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение вылетевшему электрону кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

.

Это уравнение объясняет зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света. Предельная частота (или длина волны ), при которой кинетическая энергия фотоэлектронов становится равной нулю, и есть красная граница фотоэффекта.

Существует и другая форма записи уравнения Эйнштейна для фотоэффекта:

.