Нам известны внутренний, внешний и ядерный фотоэффекты. Принято считать, что:

- внутренний фотоэффект – перераспределение электронов по энергетическим состояниям в конденсированной среде (твёрдое тело, жидкость) под действием электромагнитного излучения. При этом, изменяется электропроводность среды или на её границах возникает электродвидущая сила (ЭДС);

- внешний фотоэффект или фотоэлектронная эмиссия – вырывание электронов из вещества под действием электромагнитного излучения;

- ядерный фотоэффект – поглощение атомными ядрами гамма-квантов с испусканием протонов, нейтронов или более сложных частиц. Для вырывания из атомного ядра протона или нейтрона (нуклонов) энергия гамма-кванта должна превышать энергию связи нуклона в ядре.

Явление внутреннего фотоэффекта было открыто в 1839 году Александром Беккерелем (1820-1891) в электролите, а в 1873 году Уиллоуби Смит (1828-1891) обнаружил, что селен является фотопроводящим.

Справка: Фотопроводи́мость – явление изменения электропроводности вещества при поглощении электромагнитного излучения.

Фотопроводимость свойственна полупроводникам. При поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Оба носителя заряда при приложении к полупроводнику напряжения создают электрический ток.

При возбуждении фотопроводимости в собственном полупроводнике энергия фотона должна превышать ширину запрещённой зоны. В полупроводнике с примесями поглощение фотона может сопровождаться переходом из расположенного в запрещённой зоне уровня, что позволяет увеличить длину волны света, который вызывает фотопроводимость. Это обстоятельство важно для детектирования инфракрасного излучения. Условием высокой фотопроводимости является также большой показатель поглощения света, который реализуется в прямозонных полупроводниках.

Явление фотопроводимости используется в датчиках света, в частности в фоторезисторах. Фотопроводимость применяется также в приборах ночного видения. Увеличение проводимости при освещении используется и в ксерографии, при которой электрические заряды стекают с засвеченных мест предварительно наэлектризованной поверхности полупроводникового барабана. Явление фотопроводимости также используется для определения электрических свойств полупроводниковых структур.

Внешний фотоэффект впервые обнаружил в 1887 году Генрих Герц (1857-1894). Проводя опыты с резонатором, он заметил, что проскакивание искры между цинковыми шариками разрядника значительно облегчается, если один из них осветить ультрафиолетовым светом. Однако Герц был поглощён исследованием электромагнитных волн и не принял данный факт во внимание. И только в 1888 году русский физик Александр Столетов (1839-1896) тщательно исследовал явление внешнего фотоэффекта и сформулировал его основные законы. Поэтому внешний фотоэффект мы называем эффектом Столетова.

В своих знаменитых экспериментах Александр Григорьевич использовал фотоэлемент собственной конструкции – так называемый конденсатор Столетова (изображён на рис. 1).

Рис. 1

К электродам К – катод и А – анод прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Катод (отрицательный электрод) через кварцевое окошко освещался ультрафиолетовым светом определённой длины волны λ. При неизменном световом потоке снималась зависимость фототока I от приложенного напряжения. На рис. 2 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.

Рис. 2 Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. I_н1 и I_н2 – токи насыщения, U_з – запирающий потенциал

Результаты опытов Столетов изложил в своих лаконичных тезисах. Их всего 12, но мы здесь выделим 4 основных:

1. Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд. Это действие лучей есть строго униполярное; положительный заряд лучами не уносится.

2. Для разряда лучами необходимо, чтобы лучи поглощались поверхностью тела. Чем больше поглощение активных лучей, тем поверхность чувствительнее к их разряжающему действию.

3. Разряжающим действием обладают – если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими – лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре (λ<295×10^-6 мм). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие.

4. Действие обнаруживается даже при ничтожных отрицательных плотностях заряда; величина его зависит от этой плотности; с возрастанием плотности до некоторого предела оно растет быстрее, чем плотность, а потом медленнее и медленнее.

Чтобы понять физический смысл первого тезиса, обратимся к Природе электрического заряда. Нам известно, что объёмная плотность потенциальной энергии поля (проще – давление поля) у катода (отрицательный заряд) больше, чем у анода (положительный заряд), а приходящее к катоду электромагнитное излучение ещё больше повышает объёмную плотность энергии поля вокруг него. Разность давлений поля между катодом и анодом увеличивается.

В результате начинается переток энергии от катода к аноду. Стоячие волны между электродами превращаются в бегущие и мы наблюдаем в колбе электрический ток или, как пишет Александр Григорьевич «перенос заряда с поверхности отрицательно заряженного тела на положительно заряженное».

Существование светового давления предсказал Максвелл (1831-1879) на основании свойств электромагнитного поля, а экспериментально давление света было установлено в 1899 Лебедевым (1866-1912).

Если же мы будем облучать анод, то рост объёмной энергии поля вокруг него приведёт к уменьшению разности давлений поля между катодом и анодом. В этом случае электрический ток в колбе не возможен, что и отмечено в первом тезисе Столетова.

Второй тезис указывает нам на прямопропорциональную зависимость фототока от интенсивности падающего на катод светового потока. Томсон (1856-1940) в 1898 году экспериментально установил, что движение электрического заряда, выходящего из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами). Поэтому увеличение фототока с ростом освещённости принято понимать как увеличение числа выбитых электронов с ростом освещённости.

Третий тезис говорит нам о том, что не всякое электромагнитное излучение, падающее на катод может вызвать фототок. Это возможно только для излучения с длиной волны, меньше некоторой заданной величины, что фактически означало существование красной границы фотоэффекта. В 1891 году Эльстер и Гейтель при изучении щелочных металлов пришли к выводу, что, чем выше электроположительность металла, тем ниже граничная частота (больше граничная длина волны), при которой он становится фоточувствительным.

Четвёртый тезис подтверждает наличие красной границы фотоэффекта. Это так называемый «запирающий потенциал», который зависит только от рода вещества катода. Из приведенной на рисунке 2 зависимости I(U) вытекает, что при U = 0 ток не является равным нулю, а для того, чтобы ток превратился в ноль, нужно подать некоторое напряжение с обратной полярностью (к освещенному электроду положительный, к неосвещенному — отрицательный). Это напряжение определяет максимальную кинетическую энергию вылетающих электронов и называется задерживающим напряжением U_з:

mv²/2 = еU_з.

Тщательные измерения показали, что запирающее напряжение линейно возрастает с увеличением частоты света (рис. 3).

Рис. 3 Зависимость запирающего напряжения U_з от частоты ν падающего света.

Но, если это так, то логика далее подсказывала, что энергия каждого фотоэлектрона должна зависеть только от энергии поглощенного фотона, то есть – от его частоты (длины волны). Александр Григорьевич и это подтвердил экспериментально, установив, что падающая электромагнитная волна ультрафиолетового света вызывает вынужденные колебания электронов в металле в резонансе с частотой падающей волны.

Дополнительные исследования фотоэффекта Ленардом (1862-1947) в 1900-1902 годах показали, что, энергия (значит и частота) вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

Физический смысл фотоэффекта, который известен как закон Столетова, в настоящее время описывается так:

«Кинетическая энергия (частота), с какой излучённая полуволна (электрон) покидает металл, заимствуется у падающей полуволны (фотона), а количество вылетающих электронов пропорционально интенсивности падающего света, то есть числу поглощенных фотонов».

Ясно, что электрон не может просто поглотить фотон без каких-либо последствий, ибо при этом должны быть соблюдены законы сохранения энергии и импульса. Поэтому энергия фотона расходуется на разрыв связей электрона со своим окружением. Эта связь в атоме, к примеру, характеризуется энергией отрыва электрона от атома (энергия ионизации), а в конденсированной среде (жидкость или твердое тело) – ещё и работой выхода за пределы поверхности данной среды.

Здесь Столетов рассуждал примерно так: чтобы забросить мяч на крышу дома, надо передать ему такую энергию, чтобы он мог преодолеть в своём движении не только сопротивление воздуха, но и напряжённость гравитационного поля. По этой аналогии можно сделать вывод, что кинетическая энергия поглощённой полуволны (энергия фотона - hw) во внешнем фотоэффекте расходуется на работу выхода (А) и придание кинетической энергии излучённой полуволне (электрону - eV).

Но всякий физический смысл можно описать математическими символами. Так появилось уравнение:

hw = А+eV,

где: h = 1,0545727*10-34 Дж*с – постоянная Планка;

w – частота приходящего излучения;

е = 1,6021773*10-19 Кл – элементарный заряд;

еV = mv²/2 – кинетическая энергия излучённого электрона.

Это уравнение теперь называется уравнением Эйнштейна. Его он опубликовал в 1905 году, за что и получил Нобелевскую премию (шведы, как видно, больше уважают математику, а физический смысл их интересует заметно меньше).

Кроме этого, Столетов изучил зависимость фототока от давления газа и установил, что отношение напряжённости электрического поля к давлению газа при максимальном токе (токе насыщения) есть величина постоянная (константа Столетова).

А это не менее важно, чем сам фотоэффект, ибо подтверждает тот факт, что давление газа, точнее – объёмная плотность энергии в разделяющей электроды среде, является дополнительным препятствием для фототока, который появляется при определённой разности давлений поля между катодом и анодом.

Мы помним, что электрический заряд (Кл) определяет объёмную плотность энергии поля в зоне этого заряда. Следовательно, разность потенциалов (Дж/Кл) между электродами определяет разность давления поля в этой области. И опытом установлено, что на объёмную плотность энергии поля накладывается и объёмная плотность энергии газа, разделяющего катод и анод. Этот факт для математиков остался «за скобками».

На главную