1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.

Явления, при которых происходит освобождение электронов под действием света, называются фотоэффектом.

Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов и молекул газа под действием света и называется фотоионизацией.В твёрдых и жидких телах различаютвнешний ивнутреннийфотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом (наружу) под действием света.

Внутренним фотоэффектом называетсяперераспределение электронов по энергетическим состояниямв полупроводниках и диэлектриках под действием света. В результате внутреннего фотоэффекта увеличивается концентрация носителей тока в веществе. Возникает фотопроводимость – увеличение электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении.

Вентильным фотоэффектом называется возникновение ЭДС при освещении p-n-перехода^.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем. Его фундаментальные исследования были проведены в 1888-1889 г. И.Столетовым.

Схема установки для наблюдения внешнего фотоэффекта имеет следующий вид, приведённый на рисунке 1.4 .

В вакуумной трубке помещены катод К(фотокатод) и анодА. Свет через кварцевое окно падает на поверхность катода. Между фотокатодом и анодом приложена разность потенциалов, измеряемая вольтметромV. Разность потенциалов можно изменять с помощью делителя напряженияR. Ток в цепи измеряется гальванометромG.

Зависимость фототока от разности потенциалов между катодом и анодом при освещении катода монохроматическим светом называется вольт-амперной характеристикой. Она имеет вид, приведенный на рисунке 1. Отметим основные особенности и проведем анализ этой зависимости.

1.При разности потенциалов между катодом и анодомU=0фототок не равен нулю. Это означает, что фотоэлектроны выходят из катода, имея некоторую начальную скорость. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжениеU₀.

Максимальная начальная скорость фотоэлектронов связана с задерживающим напряжением соотношением:

. (1.34)

Здесь e и m– заряд и масса электрона.

2. При увеличении разности потенциалов Uфототок достигает значенияi_н (фототок насыщения). Это значит, что все вылетающие из катода электроны попадают на анод. Пустьn- число электронов, вылетающих из катода в 1секунду. Тогда

Рассмотрим законы внешнего фотоэффекта:

1. Закон Столетова. При неизменном спектральном составе излучения, попадающего на катод, фототок насыщения пропорционален световому потоку:

.

(Это означает, что число электронов )

2. Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты падающего измерения и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого фотокатода существует «красная граница» внешнего фотоэффекта, т.е. минимальная частота , (или максимальная длина волны излучения) при которой ещё возможен фотоэффект. Частота зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности.

Явление внешнего фотоэффекта нельзя объяснить на основе классической волновой теорией света. Действительно, по волновой теории вырывание электронов из вещества происходит в результате их «раскачивания» в электромагнитном поле световой волны. Чем больше интенсивность волны (или больше амплитуда), тем больше должна быть скорость фотоэлектронов. Этот вывод противоречит 2 и 3 законам фотоэффекта.

Все закономерности фотоэффекта успешно объясняются квантовой теорией. При поглощении света веществом каждый поглощённый фотон передаёт свою энергию частице вещества. При внешнем фотоэффекте закон сохранения энергии имеет вид:

. (1.35)

Здесь hv - энергия фотона;- работа выхода электрона с поверхности вещества;- работа по преодолению сил сопротивления при выходе электрона на поверхность;- кинетическая энергия электрона.

Если =0(электрон выходит с поверхности), то

. (1.36)

Уравнение (1.36) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют второй и третий законы фотоэффекта:

. (1.37)

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты по линейному закону. Она обращается в нуль при частоте , соответствующей красной границе фотоэффекта:

. (1.38)

Следовательно, красная граница зависит только от работы выхода электрона из вещества.