Фотоэффект. Фотоэлектрические устройства в медицине и биологии

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света оптического диапазона. Различают внешний фотоэффект (электроны выходят за пределы вещества) и внутренний (электроны теряют связь только со «своими» атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества в качестве свободных электронов, увеличивая электропроводность вещества).

Экспериментальные исследования, выполненные Столетовым, а также другими учеными, привели к установлению следующих основных законов внешнего фотоэффекта.

1. Фототок насыщения I (то есть максимальное число электронов, освобожденных светом в 1 сек) прямо пропорционален световому потоку Ф:

I = кФ, (18)

где к - называется фоточувствительностью освещаемой поверхности.

2. Скорость фотоэфлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Независимо от интенсивности света фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света, называемой "красной границей" фотоэффекта.

Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света.

Явление фотоэффекта нашло простое объяснение на основе квантовой теории Эйнштейна. Согласно этой теории, величина светового потока определяется числом световых квантов (фотонов), падающих в единицу времени на поверхность вещества. Каждый фотон взаимодействует только с одним электроном вещества. Поэтому число фотоэлектронов (электронов, вырванных из вещества под действием света) пропорционально световому потоку.

Энергия фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла (А) и на придание электрону кинетической энергии:

. (19)

Эта формула предложена в 1905 г. Эйнштейном и затем проверенная многократно экспериментально.

Согласно формуле, минимальная энергия фотона, при которой должен наблюдаться фотоэффект, равна:

Таким образом, существует «красная граница» фотоэффекта – минимальная длина волны света, при которой можно наблюдать фотоэффект вещества:

. (20)

В таблице приведены значения работы выхода и красной границы фотоэффекта для некоторых металлов:

Металл	, нм	А, эВ
платина	235	5,29
Цинк	290	4,19
натрий	552	2,25
Цезиевая пленка на вольфраме	913	1,36

Из таблицы видно, что цезиевая пленка на вольфраме дает фотоэффект даже при ИК облучении, у натрия – только при видимом и УФ облучении, а у цинка – только при УФ облучении.

Внутренний фотоэффект наблюдается при освещении полупроводников и диэлектриков, если энергия фотона достаточна для переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости. В примесных полупроводниках фотоэффект обнаруживается также при условии, что энергия фотона достаточна для переброса электронов в зону проводимости с донорных примесных уровней или из валентной зоны на акцепторные примесные уровни. Так в полупроводниках возникает фотоэлектропроводимость.

В области p-n-перехода или на границе металла с полупроводником может наблюдаться вентильный фотоэффект - разновидность внутреннего. В этом случае под действием света возникают электроны и дырки, которые разделяются электрическим полем p-n-перехода: электроны перемещаются в полупроводник типа n, а дырки – в полупроводник типа p. При этом между дырочным и электронным полупроводниками изменяется контактная разность потенциалов по сравнению с равновесной, то есть возникает фотоэлектродвижущая сила порядка 0,1-0,15 В.

Вентильный фотоэффект может быть использован для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения в энергию электрического тока.