Фотоэффект

Различают два вида фотоэлектрического эффекта: внешний и внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект заключается в испускании электронов с поверхности вещества, на которую падает электромагнитное излучение. Обычно длины волн излучения, вызывающего фотоэффект, лежат в оптическом диапазоне. Внутренний фотоэффект связан с перераспределением электронов атомов по их состояниям в твердом теле, при поглощении им электромагнитного излучения.

Рис. 1. Схема опыта А. Г. Столетова. 1 — вакуумный объем; 2 — металлическая сетка; 3 — электрод; 4 — гальванометр; 5 — источник напряжения.

Рис. 2. Зависимость кинетической энергии E_К электрона от частоты v падающего на поверхность металла света. v₀ — частота, при которой электроны начинают выходить из металла, — «красная граница» фотоэффекта.

Рис. 3. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом. На внутренней части его баллона, на катоде нанесен слой вещества с малой работой выхода.

<addc>l</addc>

Начало исследований фотоэффекта было положено в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем. Он установил, что под действием ультрафиолетового излучения электрическая искра между двумя металлическими стержнями — электродами проскакивает при меньшей разности потенциалов, чем в отсутствие облучения. Детально фотоэффект был впервые изучен русским физиком А. Г. Столетовым в 1888 г. Явление, наблюдаемое Столетовым, состояло в том, что из освещенной металлической пластины, помещенной в сосуд, из которого был тщательно откачан воздух, вылетали отрицательно заряженные частицы — электроны (рис. 1).

В дальнейшем наукой был установлен следующий закон: максимальная скорость вылетающих электронов зависит только от частоты колебаний электромагнитной волны и растет с увеличением частоты. Так, максимальная скорость электронов, покидающих пластину, освещаемую красным светом, оказывается почти вдвое меньше скорости электронов, вылетающих при освещении той же пластины фиолетовым светом. При этом скорости электронов не зависят от освещенности пластины. Такое явление нельзя объяснить, рассматривая свет как непрерывную электромагнитную волну. В этом случае скорости электронов должны были бы возрастать с увеличением амплитуды волны, т. е. с увеличением освещенности поверхности.

Загадка фотоэффекта сделалась понятной, когда А. Эйнштейн стал рассматривать это явление как взаимодействие потока отдельных световых квантов с энергией ħv с электронами вещества. Энергия электрона расходуется на работу A, которую нужно затратить, чтобы вырвать электрон из металла, и на придание ему кинетической энергии: ħv = A + mv²/2. Здесь v — частота излучения, m — масса, v — скорость электрона. Постоянную A называют работой выхода (рис. 2). Впервые это уравнение записал А. Эйнштейн, и оно носит его имя. Проверка на опыте полученного соотношения показала, что оно полностью объясняет закономерности фотоэффекта. Удачное объяснение нового явления на основе квантовых представлений послужило дальнейшему развитию квантовой механики.

На использовании внешнего фотоэффекта созданы фотоэлементы: устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал (рис. 3). Электрический сигнал, поступающий с фотоэлемента, можно усилить с помощью электронных устройств и использовать для управления какой-либо системой, например турникетом в метро.

В результате перераспределения электронов в объеме полупроводникового материала под действием потока фотонов возникают свободные электрические заряды, и его электрическое сопротивление уменьшается. Такие фотоэлементы с внутренним фотоэффектом называются фотосопротивлениями. Под действием электромагнитного излучения они изменяют сопротивление, благодаря чему меняется ток в их цепи. Фотосопротивления в отличие от фотоэлементов с внешним фотоэффектом могут реагировать на инфракрасное длинноволновое излучение. С их помощью измеряют распределение температуры слабо нагретых тел. Специальные приборы позволяют, например, снять карту температуры поверхности человеческого тела и по распределению температуры проконтролировать здоровье человека.

Солнечные батареи обеспечивают энергией летательные космические корабли. Они составлены из множества фотодиодов, преобразующих свет в электрическую энергию. Фотодиод — кристалл полупроводника, одна часть которого имеет электронную, а другая — дырочную проводимость. Между этими частями возникает p‑n‑переход. При освещении фотодиода один его электрод заряжается положительно, а другой — отрицательно. Если между электродами включить резистор, то через него потечет ток. Современные фотодиоды только незначительную долю падающей на них энергии преобразуют в электрический ток. Однако в перспективе, как считают ученые, будут разработаны фотодиоды с большим КПД, почти полностью преобразующие поглощаемую ими световую энергию в энергию электрического тока.