4. Фотоэлектрический эффект.

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют группу явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом, заключающихся либо в эмиссии электронов (внешний эффект), либо в изменении электропроводности вещества или возникновении электродвижущей силы (внутренний эффект).

Е щё в 1987 г. в опытах Г. Герца и А.Г. Столетова было установлено, что под действием света металлы испускают электроны. Это явление было названо фотоэффектом.

Подробное изучение фотоэффекта было проведено на установке (рис.4), в которой электроды устанавливаются в стеклянную вакуумную камеру с кварцевым окошком для проникновения УФ-лучей. Фототок, образуемый потоком электронов, выбитых УФ-лучами из катода, фиксировался гальванометром. Напряжение на электродах изменялось с помощью потенциометра R и фиксировалось с помощью вольтметра V. На рис.5 даны графики зависимости фототока I_Ф от напряжения при разных значениях светового потока Ф. Ток вначале растёт, затем остаётся постоянным (фототок насыщения). Значение фототока насыщения определяется количеством электронов, выбиваемых из катода светом в единицу времени:

.

Поэтому, значение фототока насыщения является мерой фотоэлектрического действия света. Если поменять полярность электродов, то электрическое поле будет тормозить движение электронов, а при некотором значении U=U_З (задерживающее напряжение) даже самые быстрые электроны не достигнут анода, фототок прекратится. Из опыта установлены следующие законы фотоэффекта:

1. Сила фототока насыщения пропорциональна падающему световому потоку I_Н=kФ, где k – коэффициент пропорциональности (фоточувствительность).

2. Максимальная энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности.

Фотоэффект может быть вызван светом (независимо от его интенсивности), частота которого не ниже некоторой минимальной частоты, характерной для данного вещества катода, и называемой красной границей фотоэффекта (ν_кр). Внешний фотоэффект в металле энергетически описывается уровнем Эйнштейна:

,

где A – работа выхода электрона из металла; hν – энергия фотона; - кинетическая энергия электрона.

Согласно уравнению Эйнштейна ν_кр соответствует нулевое значение кинетической энергии. В этом случае условием красной границы фотоэффекта будет hν_кр=A, или .

Длина волны λ_кр и работа выхода для различных металлов будут различными. Эти данные для различных металлов обычно приводятся в таблице.

В нутренний эффект наблюдается в полупроводниках и диэлектриках и состоит в увеличении концентрации свободных носителей заряда внутри вещества, облучаемого светом. При этом электропроводность тела увеличивается. За счёт энергии поглощенного фотона света связанный электрон освобождается и становится электроном проводимости. Иными словами, энергия фотона расходуется на перевод электрона из валентной зоны в зону проводимости. Все полупроводники фоточувствительны, так как энергия фотона видимого света и даже ИК-фотона превышает ширину их запрещённой зона. Внутренний фотоэффект легко обнаружить на опыте: при включении селеновой пластинки в цепь постоянного тока (рис.6) проводимость её резко увеличивается при её освещении.