Види фотоефекту, закони зовнішнього фотоефекту

Гіпотеза Планка, блискуче вирішила завдання теплового випромінювання абсолютно чорного тіла, отримала підтвердження і подальший розвиток при поясненні фотоефекту - явища, відкриття і дослідження якого зіграло важливу роль в становленні квантової теорії. Розрізняють фотоефект зовнішній, внутрішній і вентильний. Зовнішнім фотоелектричним ефектом (фотоефектом) називається випускання електронів речовиною під дією електромагнітного випромінювання. Зовнішній фотоефект спостерігається в твердих тілах (металах, напівпровідниках, діелектриках), а також в газах на окремих атомах і молекулах (фотоіонізації). Фотоефект виявлений (1887 р) Г. Герцем, хто спостерігав посилення процесу розряду при опроміненні іскрового проміжку ультрафіолетовим випромінюванням.

Перші фундаментальні дослідження фотоефекту виконані українським вченим А. Г. Столєтова. Принципова схема для дослідження фотоефекту наведена на рис. 289. Два електрода (катод К з досліджуваного металу і анод А - в схемі Столєтова застосовувалася металева сітка) у вакуумній трубці підключені до бата-реї так, що за допомогою потенціометра R можна змінювати не тільки значення, а й знак подається на них напруги. Струм, що виникає при освітленні катода монохроматичним світлом (через кварцове віконце), вимірюється включеним в ланцюг миллиамперметром. Опромінюючи катод світлом різних довжин хвиль, Столетов встановив наступні закономірності, які не втратили свого значення до нашого часу: 1) найбільш ефективна дія надає ультрафіолетове випромінювання; 2) під дією світла речовина втрачає тільки негативні заряди; 3) сила струму, що виникає під дією світла, прямо пропорційна його інтенсивності.

Дж. Дж. Томсон в 1898 р виміряв питомий заряд випускаються під дією світла частинок (по відхиленню в електричному і магнітному полях). Ці вимірювання показали, що під дією світла вириваються електрони.

Внутрішній фотоефект - це викликані електромагнітним випромінюванням переходи електронів усередині напівпровідника або діелектрика з пов'язаних станів в свобод-ні без вильоту назовні. В результаті концентрація носіїв струму всередині тіла збільшується, що призводить до вознікновеніюфотопроводімості (підвищення електропровідності напівпровідника або діелектрика при його освітленні) або до виникнення е.р.с.

Вентильний фотоефект. є різновидом внутрішнього фотоеффек-та, - виникнення е.р.с. (Фото - е.р.с.) при освітленні контакту двох різних напівпровідників або напівпровідника і металу (при відсутності зовнішнього електричного поля). Вентильний фотоефект відкриває, таким чином, шляхи для прямого преоб-разования сонячної енергії в електричну.

На рис. 289 приведена експериментальна установка для ісследованіявольт-амперної характеристики фотоефекту - залежності фотоструму I. утвореного потоком електронів, що випускаються катодом під дією світла, від напруги U між електродами. Така залежність, відповідна двом різним освітленням Е, катода (частота світла в обох випадках однакова), наведена на рис. 290. У міру збільшення U фотострум поступово зростає, т. Е. Все більше число фотоелектронів досягає анода. Пологий характер кривих показує, що електрони вилітають з катода з різними швидкостями. Максимальне значення струму Iнас -фототок наси-щення - визначається таким значенням U, при якому всі електрони, що випускаються катодом, досягають анода:

де n - число електронів, що випускаються катодом в 1 с.

З вольт-амперної характеристики слід, що при U = 0 фототок не зникає. Отже, електрони, вибиті світлом з катода, мають деякою початковою швидкістю v, а значить, і відмінною від нуля кінетичну енергію і можуть досягти анода без зовнішнього поля. Для того щоб фотострум став рівним нулю, необхідно пріложітьзадержівающее напряженіеU0. При U = U0 жоден з електронів, навіть володіє при вильоті з катода максимальною швидкістю vmax. не може подолати затримує поля і досягти анода. отже,

т. е. вимірявши затримує напруга U0, можна визначити максимальні зна-ня швидкості і кінетичної енергії фотоелектронів.

При вивченні вольтамперних характеристик різноманітних матеріалів (важлива чистота поверхні, тому вимірювання проводяться в вакуумі і на свіжих поверх-ності) при різних частотах падаючого на катод випромінювання і різних енер-гетіческіх освещенностях катода і узагальнення отриманих даних були встановлені следующіетрі закону зовнішнього фотоефекту.

I. Закон Столєтова: при фіксованій частоті падаючого світла число фотоелектронів, що вириваються з катода в одиницю часу, пропорційно інтенсивності світла (сила фотоструму насичення пропорційна енергетичної освітленості Її катода).

II. Максимальна початкова швидкість (максимальна початкова кінетична енергія) фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою n.

III. Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, т. Е. Мінімальна частота n0 світла (що залежить від хімічної природи речовини і стану його поверхні), нижче якої фотоефект неможливий.

Якісне пояснення фотоефекту з хвильової точки зору на перший погляд не повинно було б представляти труднощів. Дійсно, під дією поля світлової хвилі в металі виникають вимушені коливання електронів, амплітуда яких (наприклад, при резонансі) може бути достатньою для того, щоб електро-ни покинули метал; тоді і спостерігається фотоефект. Кінетична енергія виривається з металу електрона повинна була б залежати від інтенсивності падаючого світла, так як зі збільшенням останньої електрону передавалася б велика енергія. Однак цей висновок суперечить II закону фотоефекту. Так як, по хвильової теорії, енергія, що передається електронам, пропорційна інтенсивності світла, то світло будь-якої частоти, але досить великої інтенсивності мав би виривати електрони з металу; іншими словами, червоною кордону фотоефекту не повинно бути, що суперечить III закону фотоефекту. Крім того, хвильова теорія не змогла пояснити безінерційність фотоефекту. встановлену дослідами. Таким чином, фотоефект нез'ясовний з точки зору хвильової теорії світла.