Фотоэффект
Различают три вида фотоэффекта:
Внешний фотоэффект – выход электронов под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается для твердых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков).
Внутренний фотоэффект – это изменение проводимости веществ, вызванное электромагнитным излучением. Под действием электромагнитного излучения электроны внутри полупроводника или диэлектрика переходят из связанных состояний в свободные. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению э.д.с.
Вентильный фотоэффект (является разновидностью внутреннего фотоэффекта) – возникновение дополнительной э.д.с. (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект, таким образом открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.
Внешний фотоэффект обнаружен в 1887 г. Г.Герцем, наблюдавшим инициирование процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта были выполнены русским ученым А.Г.Столетовым.
Законы внешнего фотоэффекта
1.. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности катода (закон Столетова).
2. Максимальная скорость (максимальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.
3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта т.е. минимальная частота (максимальная длина волны) света, зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, ниже которой фотоэффект невозможен.
В 1905 г. А.Эйнштейн показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет частотой не только испускается (как это предполагал М.Планк), но и распространяется в веществе и поглощается веществом определенными порциями (квантами), энергия которых E0=h. Кванты электромагнитного излучения (фотоны) движутся со скоростью распространения света.
По теории Эйнштейна, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных с поверхности вещества электронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта).
Энергия падающего фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из вещества А и на сообщение ему кинетической энергии
.
Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта является законом сохранения энергии применительно к этому процессу.
.
(1)
Из уравнения (1) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (II закон фотоэффекта). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов падает (для данного металла Авых = const.), то при некоторой достаточно малой частоте =0 кинетическая энергия фотоэлектронов становится равной нулю, и при дальнейшем понижении частоты фотоэффект прекращается (III закон фотоэффекта). Согласно изложенному, получим
или
(2)
Величины λ0 и 0 называют красной границей фотоэффекта для данного вещества. Они зависят лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности (в том числе и от наличия или отсутствия на поверхности других веществ).