Фотоэффект

3. Теоретическая часть

3.1. Виды фотоэлектрического эффекта

Среди физических явлений, в которых проявляется взаимодействие света с веществом, важным является фотоэлектрический эффект – фотоэффект, открытый Г.Герцем в 1887 году и детально изученный А.Г.Столетовым (1888-1890 гг.). Фотоэффект заключается в освобождением (полном или частичном) электронов - фотоэлектронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света.

Существуют разные виды фотоэффекта.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект происходит в металлах, которые имеют свободные электроны.

Внутренний фотоэффект характеризуется вырыванием электронов из атомов под воздействием электромагнитного излучения, при этом они остаются внутри вещества без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри вещества увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводимости при освещении) Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках и диэлектриках. Он впервые обнаружен Российским учёным А.Ф.Иоффе в 1908году.

Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта и приводит к возникновению ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

3.2. Законы внешнего фотоэффекта

Э

Рис. 1	Рис. 2

кспериментальная установка, выполненная по приведённой на рис.1 схеме, может быть использована для исследования явления фотоэффекта. Она позволяет изменять не только значение, но и знак подаваемого напряжения. Ток, возникающий при освещении катода вакуумной лампы монохроматическим светом, называетсяфототоком. Изучение фотоэффекта Столетовым дало возможность выявить основные закономерности фотоэффекта:

1) наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение;

2) под действием света вещество теряет только отрицательные заряды;

3) сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности;

4) фототок появляется даже при кратковременном освещении, т.е. фотоэффект практически безинерционный.

В 1898 г. английский учёный Дж. Дж. Томсон, измеряя по отклонению в электрическом и магнитном полях удельный заряд частиц, испускаемых под действием света, показал, что под действием света вырываются электроны.

Изучение вольтамперной характеристики фотоэффекта – зависимости фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами дает возможность выявить основные закономерности фотоэффекта.

Вольтамперная характеристика, соответствующая двум различным освещенностям Е_е катода (частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рис.2. По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Когда все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, ток принимает свое максимальное значение I_нас (фототок насыщения):

I_нас = en, (1)

где п – число электронов, испускаемых катодом в одну секунду, е – заряд электрона (элементарный заряд).

Вольтамперная характеристика показывает, что при U = 0 фототок не исчезает, поскольку некоторые электроны, выбитые светом из катода, обладают начальной скоростью V и отличной от нуля кинетической энергией. Они могут достигнуть анода без внешнего поля. Чтобы фототок принял значение равное нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U_З. При U=U_З ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью V_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

. (2)

Измерив задерживающее напряжение U_З, можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

При изучении вольтамперных характеристик разных материалов при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщении полученных данных были сформулированы следующие три закона внешнего фотоэффекта (законы Столетова).

I. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения I_нас пропорциональна величине светового потока Ф (I_нас = KФ).

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

III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.e. минимальная частота ₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен (или максимальная длина волны ₀ выше которой фотоэффект невозможен).

Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточна для того, чтобы электроны покинули металл. Тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого из металла электрона должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, так как с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит II закону фотоэффекта. Так как по волновой теории энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит III закону фотоэффекта. Таким образом, фотоэффект не объясним с точки зрения волновой теории.