Фотоелектричний ефект. Поглинання оптичного випромінювання речовинами, що супроводжується електричними явищами, називається фотоелектричним ефектом

Поглинання оптичного випромінювання речовинами, що супроводжується електричними явищами, називається фотоелектричним ефектом. Розрізняють декілька видів фотоефекту: 1) Зовнішній фотоефект – явище випромінювання електронів речовиною (металом, напівпровідником або діелектриком) під дією електромагнітного випромінювання. Вперше винайдений у 1887 році Р.Герцем. 2) Внутрішній фотоефект – переходи електронів, спричинені електромагнітним випромінюванням усередині напівпровідника або діелектрика із зв'язаних станів у вільні без вильоту їх назовні. В результаті спостерігається явище фотопровідності – підвищення електропровідності речовини при її освітленні. Явище досліджене академіком А.Іоффе у 1908 році. 3) Вентильний фотоефект – виникнення ЕРС (фотоЕРС) при освітленні контакту двох різнорідних напівпровідників або напівпровідника і металу (при відсутності зовнішнього електричного поля). Вентильний фотоефект – різновид внутрішнього. Фотоефект у газовому середовищі – явище виникнення електропровідності у газах внаслідок фотоіонізації їх атомів або молекул під дією електромагнітного випромінювання.

Явище зовнішнього фотоефекту вперше було детально досліджене Столєтовим у 1890 році. В результаті численних дослідів, він встановив такі закони фотоефекту: 1) Закон Столєтова: сила фотоструму насичення I_н, що виникає при освітленні монохроматичним світлом, пропорційна світловому потоку, падаючому на катод: I_н=g×F_е, де g - фоточутливість фотокатоду, яка вимірюється у мікроамперах на люмен (мкА/лм). 2) Максимальна початкова кінетична енергія фотоелектронів Е_max не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою n. 3) Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту – мінімальна частота n_min світла (залежна від хімічної природи речовини і стану її поверхні), нижче за яку фотоефект неможливий.

Хвильова теорія світла змогла пояснити тільки перший закон, а два останніх виявились абсолютно незрозумілими. Для пояснення цих загадкових законів Ейнштейн використав гіпотезу Планка про квантову природу електромагнітного випромінювання. Він припустив, що якщо світло випромінюється квантами, то воно поширюється і поглинається також дискретними порціями, енергія яких пропорційна частоті. Енергія кванту світла h×n, що падає на речовину, витрачається на роботу виходу А електрона із речовини та на надання йому кінетичної енергії Е. Електрон речовини, поглинувши квант енергії (фотон), або покине речовину, або залишиться усередині неї. Це залежить від співвідношення між енергією фотона і роботою виходу електрона. За умови hn<А, електрони не можуть покинути речовину. Якщо ж hn>А, електрони покидають речовину із максимальною кінетичною енергією Е_max=hn-A. Рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту є окремим випадком закону збе-

реження енергії, записується у вигляді: і читається так: енергія падаючого фотону витрачається на здій-снення електроном роботи виходу із металу та на надання йому

максимальної кінетичної енергії. При зменшенні частоти падаючого світла, кінетична енергія фотоелектронів зменшується (для кожного матеріалу А=const), тому при деякій частоті n_min кінетична енергія фотоелектронів обертається в нуль і фотоефект

припиняється. Робота виходу електрона A із даного матеріалу зв'язана із “червоною межею nmin ” (або “довгохвильовою межею lmax ”) фотоефекту для цього матеріалу співвідношеннями:

Електрони, які вибиваються світлом із речовини фотокатоду володіють деякою початковою швидкістю V₀, а отже, відмінною від нуля кінетичною енергією, тому можуть досягати аноду фотоелемента без зовнішнього електричного поля. Для того, щоб фотострум став дорівнювати нулю, між катодом і анодом треба прикласти затримуючий потенціал U₃ – напругу, створюючу гальмівне електричне поле для фотоелектронів. При U=U₃ ні один із електронів, навіть які мають максимальну

швидкість Vmax, не може здолати гальмівного поля і досягти анода. Отже: Вимірюючи затримуючий потенціал U3, можна визначати макси-

мальне значення швидкості і кінетичну енергію фотоелектронів.