Краткая теория

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называетсявыбивание электронов из вещества под действием света (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового).

Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное освобождение), то фотоэффект называется внешним (открыт в 1887 г. Г. Герцем и подробно исследован в 1888 г, А.Г. Столетовым). Если же электроны теряют связь только со «своими» атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества в качестве "свободных электронов" (частичное освобождение), увеличивая тем самым электропроводность веществ, то фотоэффект называется внутренним (открыт в 1873 г. американским физиком У. Смитом).

Внешний фотоэффект наблюдаетсяу металлов. Принципиальная измерительная схема, с помощью которой исследовался внешний фотоэффект, изображена на рис.1.

Отрицательный полюс батареи присоединен к металлической пластине К (катод), положительный – к вспомогательному электроду А (анод). Оба электрода помещены в сосуд, имеющий кварцевое окно O (прозрачное для оптического излучения). Поскольку электрическая цепь оказывается разомкнутой, ток в ней отсутствует. При освещении катода К свет вырывает из него электроны (фотоэлектроны), устремляющиеся к аноду, и в цепи появляется ток (фототок). Схема даёт возможность измерять силу фототока гальванометром Г и скорость фотоэлектронов при различных значениях напряжения U между катодом и анодов при различных условиях освещения катода.

Классическая электродинамика, согласно которой свет распространяется в виде непрерывных монохроматических волн, не может объяснить всех закономерностей фотоэффекта. Сущность его объясняется квантовой теорией излучения. Излучение света происходит не непрерывно, а отдельными порциями - квантами света (фотонами). Однако явления интерференции и дифракции свидетельствуют о том, что световое излучение обладает также и волновыми свойствами. Поэтому каждому кванту может быть приписана определенная частота. Энергия кванта

E=hv, (1)

где h - постоянная Планка, v - частота света. По этой теории световой поток определяется числом световых квантов (фотонов), падающих в единицу времени на поверхность металла. Каждый фотон может взаимодействовать только с одним электроном. Поэтому максимальное число фотоэлектронов должно быть пропорционально световому потоку. Если энергия фотона передаётся электрону в металле, то поглощающий электрон должен приобрести энергию, равную hν;. Очевидно, часть этой энергии электрон должен затратить на совершение работы выхода А, под которой понимается минимальное значение энергии, необходимое для вывода электрона из металла. Эта доля энергии будет большей для электрона, лежащего на некоторой глубине под поверхностью, чем для выходящего из поверхностного слоя. Оставшаяся часть этой энергии представляет собой кинетическую энергию фотоэлектрона mV²/2 (где m - масса электрона, V - его скорость).

Тогда, согласно закону сохранения энергии, можно записать

hv=A+mV²/2 (2)

Эта формула, предложенная в 1905 г. А. Эйнштейном и подтвержденная затем многочисленными экспериментами, называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Опытным путем установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта:

1. Фототок насыщения (т.е. максимальное число электронов, освобождаемых светом в 1 с) прямо пропорционален световому потоку.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов 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 ν_кр,_, называемой красной границей фотоэффекта.

4. Фотоэффект возникает и исчезает почти одновременно с началом и прекращением облучения; расхождение во времени не превышает 10^-9с.

Перечисленные законы внешнего фотоэффекта не могутбыть объяснены волновой теорией света. Толькопервыйзаконсогласуетсяс этой теорией: чем больше интенсивность падающегоизлучения,тембольшее число электронов получит энергию, необходимую для выхода из металла.

Второй и третий законы объяснить на основеволновой теории света нельзя. Действительно, по этой теории интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны. Поэтому свет любой частоты, но достаточно большой эффективности должен был бы вырывать электроны из металла; иначе говоря, не должно было бы существовать красной границы фотоэффекта. Этот вывод противоречит третьему закону фотоэффекта.

Далее, чем больше интенсивность света, тем большую кинетическую энергиюдолжен был бы получить от него электрон. Поэтому скорость фотоэлектрона должна была бы возрастать с увеличением интенсивности света;

этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.

Законы внешнего фотоэффекта получают простое истолкование на основе квантовой теории света. Из уравнения Эйнштейна (2) непосредственно видно, что скорость фотоэлектрона возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности (поскольку ни А, ни ν не зависят от интенсивности света). Этот вывод соответствует второму закону фотоэффекта.

Согласно уравнению (2), с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (работа выхода А постоянна для данного освещаемого вещества). При некоторой достаточно малой частоте ν = ν_кр (или длине волны λ_кр =с/ν_кр)кинетическая энергия фотоэлектрона станет равной нулю (mV²/2=0) и фотоэффект прекратится, что соответствует третьему закону фотоэффекта. Это имеет место при hν_кр=A, т.е. в случае, когда вся энергия фотона расходуется только на совершение работы выхода электрона. Тогда

ν_кр=А/h или λ_кр=hc/A (3)

Формулы (3) определяют красную границу фотоэффекта. Из этих формул следует, что она зависит от работы выхода, т.е. от материала фотокатода.

На внешнем фотоэффекте основан важный физико-технический прибор, называемый вакуумным фотоэлементом (рис. 2). Катодом К вакуумного фотоэлемента служит слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность вакуумного стеклянного баллона В. Анод выполнен в виде металлического кольца, помещенного в центральной части баллона. При освещении катода в цепи фотоэлемента возникает электрический ток, сила которого пропорциональна световому потоку.

Большинство современных фотоэлементов имеет сурьмяно-цезиевые или кислородно–цезиевые катоды, обладающие высокой фоточувствительностью. Кислородно-цезиевые фотоэлементы чувствительны к инфракрасному и видимому свету (чувствительность 20-80 мкА/лм), сурьмяно-цезиевые фотоэлементы: чувствительны к видимому и ультрафиолетовому свету (чувствительность 50-150 мкА/лм).

В некоторых случаях для увеличения чувствительности фотоэлемента его наполняют аргоном при давлении порядка 1 Па. Фототок в таком фотоэлементе усиливается вследствие ионизации аргона, вызванной столкновениями фотоэлектронов с атомами аргона. Фоточувствительность газонаполненных фотоэлементов составляет около 1 мА/лм.

В настоящее время фотоэлементы находят широкое применение в науке и технике. Поскольку сила фототока пропорциональна световому потоку, фотоэлементы используются в качестве фотометрических приборов. К таким приборам относятся, например, люксметр (измеритель освещенности) и фотоэлектрический экспонометр.

Фотоэлемент позволяет преобразовывать колебания светового потока в соответствующие колебания фототока, что находит применение в технике звукового кино, телевидении и т. д.

Исключительновелико значениефотоэлементов для телемеханизации и автоматизации производственныхпроцессов,которые в сочетании с электронным усилителем и реле, реагируя на световые сигналы, управляют работойразличных промышленных и транспортных установок.