Квантова теорія фотоефекту

У 1905 р Ейнштейн, спираючись на роботи М. Планка по випромінюванню (гл. 11), запропонував абсолютно нову теорію фотоефекту. За Ейнштейну, світловий потік являє собою потік «атомів світла», названих Ейнштейном фотонами; кожен фотон має енергію

При цьому окремий фотон поглинається окремим електроном, і електрон набуває можливість покинути метал, якщо його енергія перевищує «роботу виходу» з металу, яка характеризується різницею потенціалів UK. Застосовуючи закон збереження

Де - максимальна кінетична енергія вилетів електрона. За рахунок взаємодії з оточуючими частинками електрон може вилетіти з меншою енергією, тому крива (див. Рис. 10.2) має пологий спад.

З рівняння (10.5) випливає, що існує мінімальна частота світла. необхідна для фотоефекту:

т. е. фотоефект має «червону, кордон» (цей термін підкреслює неможливість порушення ефекту при частоті, меншою νmin). Замикає напруга не повинна залежати від інтенсивності світла; нарешті, виконується рівняння (10.2), згадане вище.

Закон Столєтова (10.1) означає, що число звільнених електронів пропорційно числу падаючих фотонів, що мають певну ймовірність поглинутися в даній речовині; Коефіцієнт пропорційності менше одиниці, тому що не кожен електрон, що поглинув світло, обов'язково залишить метал; він може до вильоту віддати надлишок енергії сусіднім частинкам. Таким чином, фотоефект отримує повне пояснення, але з абсолютно нової точки зору.

Потрібно відзначити, що Ейнштейн не користувався законом збереження імпульсу. Ймовірно, це пов'язано з. неясністю механізму 'взаємодії електрона з металом до вильоту з останнього. Але слід зазначити, що імпульс фотона (ν≈5 x 10 u Гц) дорівнює:

Імпульс вилетів електрона (при затримує потенціал U = 1 В) досягає значення:

що на два-три порядки перевищує імпульс фотона.

Тому явища, які доводять можливість застосувати обох законів збереження до процесу взаємодії двох мікрочастинок, в теоретичному плані дуже важливі (див. Ефект Комптона, § 10.5).

Так як ймовірність послідовного поглинання двох фотонів. одним і тим же електроном дуже мала, то в першому наближенні з таким явищем можна не рахуватися.

Фотоструми при зовнішньому фотоефекті невеликі. Для їх збільшення можна використовувати вторинну емісію електронів, прискорюючи фотоелектрони в електричному полі між електродами, причому аноди повинні бути зроблені з речовини, що дає значну вторинну емісію електронів. При достатньої енергії первинних електронів число вторинних електронів може перевищувати число первинних. При повторному здійсненні цієї операції на виході з приладу (фотоумножителя) виходить ток, посилений в тисячі разів; звичайні фотоелементи з зовнішнім фотоефектом дають струм порядку 10 -5 A / лм, а фотоумножувач - до 1 A / лм. При цьому безінерційність процесу зберігається (§ 15.4).

Інший спосіб збільшення фотоструму - приміщення катода фотоелемента в газове середовище, де можливе отримання ударної іонізації і пов'язане з цим збільшення струму в десятки разів. Однак п цьому випадку втрачається безінерційність, так що газополниефотоелементи застосовуються тільки при повільно мінливих світових потоках.

На закінчення відзначимо, що деталі фотоефекту більш складні - часто спостерігаються деякі ускладнюють явища.

Зовнішній фотоефект не є єдиним. У напівпровідниках і діелектриках спостерігається «внутрішній фотоефект» - електрони під дією поглиненого світла відриваються від атомів і набувають можливість брати участь у створенні струму, але не виходять з напівпровідника назовні. Квантовий характер цього (складнішого) процесу також виявляється цілком чітко.

Якщо частота світла мала, то при його поглинанні фотоефект виникає, але речовина нагрівається - зростає його внутрішня енергія; звичайно, нагрівання речовини має місце і при фото. ефекті.