Фотоэффект, его виды. Законы внешнего фотоэффекта

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу излучения абсолютно черного тела, получила дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта. Это явление было открыто в 1887 году Г. Герцем, который, облучая ультрафиолетовыми лучами находящиеся под напряжением электро­ды, наблюдал ускорение процесса разряда. Позднее было установле­но, что причиной данного явления служит появление при облучении свободных электронов.

Различают три вида фотоэффекта: внешний, внутренний, вентильный.

Внешним фотоэффектом назы­ва­ет­­ся испускание электронов вещес­твом под действием электромаг­нит­но­го излучения.

Внутренний фотоэффект -это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.повышению электропроводности, возникновению ЭДС при освещении.-В результате увеличивается концентрация электронов, что приводит к возникновению фотопроводимости

Вентильный фотоэффект -это возникновение ЭДС при освещении контакта полупроводников (полупроводника и металла) при отсутствии внешнего поля.Это путь прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

В 1888-1890 годах А.Г. Столетов провел систематическое иссле­дование внешнего фотоэффекта. Облучая катод светом различных длин волн, Сто­летов установил следующие свойства фотоэффекта:

1. под действием света веще­с­тво теряет толь­ко отрицательные заряды;

2. наиболее эффективное дей­ствие оказы­вают ультрафиолетовые лучи;

3. фотоэффект практически без­ынер­цио­нен, т.е. промежуток времени между моментом освещения и началом разрядки ничтожно мал.

Экспериментальная установка по­зволяет получить вольт-амперные ха­рактеристики фотоэффекта – зави­си­мо­сти фототока I (поток электронов, ис­пускаемых катодом под действием све­та) от напряжения U между элек­тро­дами при различных световых по­то­ках (Е ₁ ¹ Е ₂.n) и постоянной частоте света

При изучении вольт-амперных характеристик было установлено следующее.

1. Фототок возникает не только при U = 0, но и при U < 0, причем фототок отличен от нуля до строго определенного для данного катода отрицательного значения U = U _з - задер­живающего потенциала. Величина U _зне зависит от светового пото­ка (совпадение начальных точек обеих кривых).

2. Пологий ход кривых указывает на то, что электроны вылета­ют из катода с различными скоростями. При напряжении U = U _з си­ла фототока равна нулю, т.е. ни одному из электронов, даже обла­дающему при вылете из катода наибольшим значением скорости v _maxне удается преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода.

. (1)

Таким образом, измерив U _з, можно определить максимальную скорость электронов v _max.

При некотором напряжении фототок достигает насыщения (I _н), которое при дальнейшем увеличении U не изменяет­ся. Сила фототока насыщения I _нопределяется количеством электронов, испускаемых катодом в едини­цу времени, следовательно, пропорцио­наль­на световому потоку Е.

, но при постоянном значении светового потокаnДругая серия опытов, проведенная П.И. Лукирским и С.С. Прилежа­евым, со­сто­яла в снятии вольт-амперных харак­те­рис­тик при различ­ных частотах Е = const. Анализ по­казывает, что:

1. величина задерживающего потен­ци­ала U _зпропорциональна частоте пада­ю­ще­го света, следовательно, макси­мальная ско­рость выле­тевших из катода фото­элек­тро­нов зависит толь­ко от частоты света и не зависит от величины светового потока;

n2) существует такая частота света _кр, при которой скорость электронов равна нулю, так как U_з n<n= 0. При всех_крфото­тока не будет.

На основании обобщения полученных экспериментальных данных были сформулированы три закона фотоэффекта (законы Столетова):

1. При фиксированной частоте падающего света n(= const) сила фототока насыщения I_н прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку Е.

2. Максимальная кинетическая энергия вырванных светом элект­ронов (максимальная скорость электрона v_max) растет с ростом частоты падающего света и не зависит от светового потока.

3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некото­рой характерной для каждого металла величины n_кр, называемой "красной границей" фотоэффекта. Частота n_кр зависит от химической при­роды вещества и состояния его поверхности.

С точки зрения волновой теории света объяснить законы фото­эффекта невозможно.

· Согласно этой теории электроны должны постепенно накапливать энергию, и этот процесс должен зависеть от ам­плитуды световой волны (светового потока). Этот вывод про­тиворечит безинерционности фотоэффекта и независимости энергии вырванных электронов от светового потока (второй закон фотоэффек­та).

· Непонятно существование минимальной частоты света, необходимой для возникновения фотоэффекта, так как согласно волновой теории свет любой частоты, но достаточно боль­шой интенсивности (пропорциональной световому потоку Е) должен вырывать электроны из металла.