Фотоэффектом называется полное или частичное освобождение электронов от связей с атомами вещества под действием света.

Если электроны выходят за пределы освещаемого образца (полное освобождение), фотоэффект называется внешним. Если же электроны теряют связь только со своими атомами и молекулами, но остаются внутри освещенного вещества в качестве «свободных» электронов (частичное освобождение), фотоэффект называется внутренним. Освобожденные светом электроны называются фотоэлектронами.

Фотоэффект присущ всем без исключения телам (твердым, жидким, газообразным). В газах фотоэффект сопровождается ионизацией молекул газа и называется фотоионизацией.

Внешний фотоэффект открыл в 1887 г. немецкий ученый Генрих Герц и подробно исследовал в 1890 г. русский ученый Столетов.

Он описывается тремя законами.

1 закон. Число фотоэлектронов, вылетающих с единицы поверхности освещенного вещества за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2 закон. Скорость фотоэлектронов увеличивается с ростом частоты света и не зависит от интенсивности света.

3 закон. Фотоэффект возникает при определенной для данного вещества минимальной частоте или максимальной длине волны света, называемой «красной границей» фотоэффекта.

Возникновение и первый закон фотоэффекта можно объяснить волновой теорией света, согласно которой свет излучается, распространяется и поглощается в виде непрерывной электромагнитной волны, которая может переносить любую энергию. Электрическое поле световой волны, воздействуя на электроны внутри освещаемого вещества, возбуждает их колебания. Амплитуда вынужденных колебаний электронов пропорциональна амплитуде световой волны и может достичь такого значения, при котором связь электронов с веществом нарушается, и электроны покидают вещество – тогда и наблюдается фотоэффект.

Однако 2 и 3 законы не только не объясняются волновой теорией света, но и противоречат ей. В самом деле, скорость вылетевших фотоэлектронов должна возрастать с амплитудой электромагнитной волны, а, следовательно, с увеличением ее интенсивности (интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световой волны). Но опыт показывает, что скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света.

Все законы фотоэффекта легко объясняются квантовой теорией света, разработанной Эйнштейном в 1905 году на основе квантовой теории излучения, созданной Планком в 1900 г. По квантовой теории излучения энергии телом происходит не непрерывно, а порциями (квантами). Энергия каждой порции электромагнитного излучения:

, (3.9.1)

где Дж с – постоянная Планка, n – частота, l – длина волны излучения.

Эйнштейн развил теорию Планка, предположив, что свет не только излучает, но и распространяется и поглощается веществом такими же порциями (квантами). Позже они были названы фотонами. Применяя к явлению фотоэффекта в металлах закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу:

, (3.9.2)

где A – работа выхода электрона из металла, - максимальная скорость фотоэлектрона, m – масса электрона.

Согласно Эйнштейну каждый фотон поглощается только одним электроном, причем часть энергии падающего фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из металла, а оставшаяся часть сообщает электрону кинетическую энергию .

Заметим, что вылетевшие из металла фотоэлектроны обладают различной скоростью, т.к. кинетическая энергия электронов в металле различна, и для удаления за пределы металла разным электронам надо сообщить неодинаковую энергию. Наибольшей скоростью обладают те вылетевшие из металла электроны, для вырывания которых нужно затратить наименьшую энергию, равную работе выхода.

Формула Эйнштейна хорошо объясняет законы фотоэффекта. Из нее видно, что скорость фотоэлектронов увеличивается с ростом частоты падающего света и не зависит от его интенсивности (т.к. А и ν не зависят от интенсивности). Фотоэффект в металле может произойти при условии, если . В противном случае энергия фотона будет недостаточна для вырывания электрона.

Наименьшая частота света , под действием которого происходит фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта.

Она определяется из условия:

 

, откуда . (3.9.3)

 

Обычно ее выражают через максимальную длину волны:

 

. (3.9.4)

 

Численные значения красной границы фотоэффекта для некоторых материалов приведены в таблице:

Металл	Платина	Цинк	Натрий	Цезий
, мкм	0,235	0,290	0,552	0,620

Из квантовой теории следует, что интенсивность света пропорциональна числу квантов. Поэтому число выбитых фотонов пропорциональна интенсивности света, – так объясняется 1 закон фотоэффекта.

В полупроводниках и диэлектриках помимо внешнего фотоэффекта наблюдается внутренний. Он происходит при условии и сопровождается образованием свободных электронов, увеличивающих проводимость вещества, − работа отрыва электрона от атома. В металлах внутренний фотоэффект не наблюдается, т.к. в них имеется много свободных электронов и незначительное увеличение их числа за счет внутреннего фотоэффекта практически не отражается на электропроводности металла. В диэлектриках энергия связи электрона с атомами велика, поэтому ни внутренний, ни внешний фотоэффект в диэлектриках практического применения не имеет.

В заключение подчеркнем, что фотоэффект, вскрывая квантовую природу света, не отвергает волновую природу, а дополняет ее. Свет сложный электромагнитный процесс, обладающий двойственной (корпускулярно-волновой) природой. В одних явлениях, таких как интерференция, дифракция, поляризация, проявляется волновая природа света, в других – излучение, фотоэффект и др. – квантовая природа света.

Фотоэлементы

На основе внешнего и внутреннего фотоэффекта создано множество приборов, преобразующих световой сигнал в электрический. К ним относятся фотоэлементы, фотосопротивления, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи, передающие телевизионные трубки, фотодиоды и т.д. На внешнем фотоэффекте основана работа вакуумных фотоэлементов. Конструктивно они выполнены в виде стеклянного баллона, откачанного до высокого вакуума (рис. 3.9.1). Часть внутренней поверхности баллона покрыта слоем чувствительного к свету вещества, который называется фотокатодом. В качестве фотокатода используются вещества с малой работой выхода. Такими веществами является соединения сурьмы с одним или несколькими щелочными металлами и соединения серебро – цезий. Анодом служит металлическое кольцо или сетка, помещенные в центре баллона.

Рис. 3.9.1.

Зависимость силы фототока от приложенного между катодом и анодом напряжения при постоянной интенсивности света называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента. Она имеет вид, показанный на (рис. 3.9.2). Пологий ход кривой объясняется тем, что электроны вылетают из катода с различной скоростью. Некоторые из них обладают достаточно большой скоростью и, пролетая по инерции пространство между анодом и катодом, замыкают цепь. Этим объясняется наличие тока в цепи в отсутствие анодного напряжения (участок 0 – 1).

 

 

Рис. 3.9.2.

 

Для обращения силы тока в нуль на анод надо подать отрицательное задерживающее напряжение. При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему максимальной скоростью, не удастся достигнуть анода. Поэтому можно записать:

 

, (3.9.5)

где – кинетическая энергия электрона.

3 – 4 – это участок насыщения тока. На этом участке все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Для увеличения тока насыщения надо увеличить интенсивность света.

Одним из основных параметров любого фотоэлемента является интегральная чувствительность, равная силе фототока насыщения при световом потоке в 1 лм. Главным недостатком вакуумных фотоэлементов является малая интегральная чувствительность. Значительно большей интегральной чувствительностью обладают фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

На явлении внутреннего фотоэффекта в полупроводниках основано действие вентильных фотоэлементов и фотосопротивлений. Они устроены следующим образом. На металлическую подложку М наносится слой полупроводника Р (рис. 3.9.3). На границе металл – полупроводник в силу их различных физических свойств образуется запирающий слой, пропускающий носители тока в одном направлении – из полупроводника в металл.

При освещении полупроводника в нем образуется большее число свободных электронов, в результате равновесное распределение носителей тока в области контакта нарушается, и электроны переходят из полупроводника в металл, заряжая металл отрицательно, а полупроводник – положительно. Таким образом, на границе металл – полупроводник образуется два противоположных полюса, и, если их соединить проводником, по цепи потечет ток без какого-либо дополнительного источника тока. Иначе говоря, вентильный фотоэлемент сам является источником тока.

Явление возникновения ЭДС при освещении контакта металл – полупроводник называется вентильным фотоэффектом.

В отличие от вакуумных вентильные фотоэлементы непосредственно преобразуют световую энергию в электрическую. Наиболее эффективными являются вентильные фотоэлементы, основанные на использования контакта двух полупроводников электронного (n) и дырочного (p) типа проводимости, т.е. на так называемом p-n – переходе.

Несколько десятков соединенных последовательно p-n – переходов образуют солнечную батарею.

Вентильные фотоэлементы имеют значительно большую интегральную чувствительность, чем вакуумные.

Фотосопротивления представляют собой нанесенный на стеклянную пластинку слой полупроводника, на поверхности которого укреплены токоподводящие электроды (рис.3.9.4).

 

 

Рис. 3.9.3. Рис. 3.9.4.

 

При освещении полупроводника число носителей тока в нем резко возрастает, а сопротивление резко падает. Изменяя интенсивность света, можно регулировать сопротивление цепи в широком интервале.