Краткая теория. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Это явление впервые было обнаружено Г. Герцем в 1887 году и детально исследовано в 1888 году А.Г. Столетовым, который установил основные законы фотоэффекта:

1. максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;

2. фототок насыщения пропорционален световому потоку;

3. для каждой поверхности существует минимальная частота – красная граница фотоэффекта, при которой еще возможен внешний фотоэффект; при фотоэффект отсутствует.

Эйнштейн в 1905 году показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет распространяется такими же квантами , какими он по предположению Планка, испускается и поглощается. Часть энергии , которую получает электрон от фотона, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть облученную поверхность вещества. Эта величина, называемая работа выхода , является характерной для каждого металла и зависит от состояния его поверхности. Остальная часть энергии идет на сообщение электрону кинетической энергии.

Если пренебречь потерями энергии в результате неупругих столкновений электрона с атомами вещества, то должно выполняться соотношение, называемое формулой Эйнштейна (закон сохранения энергии)

(1)

где - максимальная скорость фотоэлектрона, вырванного с поверхности металла.

Из формулы (1) вытекает, что для выполнения фотоэффекта необходимо, чтобы выполнялось условие (красная граница фотоэффекта).

Приборы, действие которых основано на явлении фотоэффекта, называются фотоэлементами. Различают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Схема, поясняющая действие вакуумного фотоэлемента, приведена на рисунке 1.

Зависимость тока от напряжения между катодом и анодом (вольт - амперная характеристика) представлена на рисунке 2.

При некотором напряжении фототок достигает насыщения (горизонтальный участок характеристики). Это означает, что все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. При = 0 фототок не исчезает, так как электроны покидают катод со скоростью, отличной от нуля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить

Так как световой поток определяется количеством квантов света, падающих на поверхность в единицу времени, то при неизменном спектральном составе сила тока насыщения (т.е. количество испускаемых электронов в секунду) прямо пропорционально световому потоку

(2)

где - интегральная световая чувствительность материала фотокатода, мкА/люмен;

- световой поток, люмен.

Вакуумные фотоэлементы изготовляются в виде стеклянного баллона, внутренняя поверхность которого покрыта слоем чувствительного к свету вещества, являющегося эмиттером фотоэлектронов. Для работы в видимой части спектра особенно широко применяются сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Вакуумные фотоэлементы практически безинерционны.

Ток в фотоэлементе может быть усилен, если наполнить баллон газом (неон, аргон) и создать между электродами такое напряжение, чтобы фотоэлектроны могли, ускоряясь, производить ионизацию газа. Вновь образовавшиеся электроны и положительные ионы устремляются к аноду и катоду соответственно, усиливая общий ток. Значительное увеличение тока в газонаполненных фотоэлементах обуславливает повышение инерционности фотоэлемента и искажение строгой пропорциональности между током и освещенностью.

Фотоэлементы находят широкое применение в науке и технике: счет и сортировка деталей на конвейере, различные автоматические устройства, использование в военной технике, звуковом кино, фотометрии, спектроскопии и т.д.