Внешний фотоэффект: физическая сущность
Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Наиболее подробно изучен внешний фотоэффект, при котором электроны покидают поверхность вещества, чаще всего металла. Квантовая природа света была впервые экспериментально подтверждена именно при изучении фотоэффекта.
Суть процесса заключается в следующем: квант электромагнитного излучения (фотон), обладающий энергией E = hν, при взаимодействии с электроном в веществе передаёт ему свою энергию. Если эта энергия превышает работу выхода электрона из вещества Aвых, электрон покидает вещество с кинетической энергией
Ek = hν − Aвых.
Основные законы фотоэффекта
На основе экспериментов, прежде всего тех, которые проводил А. Ф. Иоффе, а также исследований Генриха Герца, Александра Столетова и особенно Альберта Эйнштейна, были сформулированы три закона внешнего фотоэффекта.
Первый закон фотоэффекта: Наличие красной границы
Для каждого вещества существует пороговая частота ν0, ниже которой фотоэффект не наблюдается, как бы не была велика интенсивность излучения. Энергия фотона должна быть не меньше работы выхода электрона:
hν ≥ Aвых.
Пороговая длина волны λкр определяется из соотношения:
$$ \lambda_{\text{кр}} = \frac{hc}{A_{\text{вых}}}. $$
Это явление невозможно объяснить в рамках классической волновой теории света, которая предсказывала бы постепенное накопление энергии электронами. Однако на опыте фотоэффект не возникает при недостаточной частоте света, вне зависимости от длительности воздействия.
Второй закон фотоэффекта: Зависимость энергии фотоэлектронов от частоты света
Кинетическая энергия фотоэлектронов зависит линейно от частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности:
Ek = hν − Aвых.
Этот закон получил прямое экспериментальное подтверждение в опытах Роберта Милликена, где измерялась запирающая (задерживающая) разность потенциалов Uзап, при которой ток прекращался. Кинетическая энергия электрона уравновешивается работой электрического поля:
eUзап = hν − Aвых.
Таким образом, по наклону графика Uзап(ν) можно определить постоянную Планка h, а по его отрезку на оси ν — пороговую частоту.
Третий закон фотоэффекта: Зависимость фототока от интенсивности света
При постоянной частоте излучения, число фотоэлектронов, вырываемых за единицу времени, пропорционально интенсивности падающего света. Это проявляется в пропорциональной зависимости фототока от интенсивности при прочих равных условиях. Однако при насыщении (при достаточно высоком ускоряющем напряжении) фототок достигает максимума, соответствующего полной эмиссии всех возможных фотоэлектронов.
Этот факт также невозможно объяснить в рамках классической теории, предсказывающей рост энергии фотоэлектронов с ростом интенсивности.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Уравнение, объясняющее внешний фотоэффект, было предложено Альбертом Эйнштейном в 1905 году на основе квантовой гипотезы Планка. Оно выразило энергетический баланс при поглощении одним электроном одного фотона:
hν = Aвых + Ek.
Это уравнение легло в основу квантовой теории и получило экспериментальное подтверждение в последующие десятилетия.
Работа выхода и её физический смысл
Работа выхода Aвых — минимальная энергия, необходимая для того, чтобы электрон преодолел потенциальный барьер на поверхности вещества и оказался свободным. Эта величина зависит от природы материала и его состояния (температуры, наличия окислов, кристаллической решётки и т. д.).
Типичные значения работы выхода:
Работа выхода связана с вакуумным уровнем энергии, а её точное определение важно для практики, в том числе в вакуумной электронике и фотоэлектронной спектроскопии.
Спектральная зависимость и эффективность фотоэффекта
Квантовый выход — число вырванных электронов на один падающий фотон. Его значение зависит от:
Квантовый выход может изменяться от долей процента до нескольких единиц (в условиях вторичной эмиссии). На практике используют вещества с низкой работой выхода и высокой чувствительностью, например, цезий, натрий, окислы серебра.
Фотоэлементы и практическое применение
Фотоэффект положен в основу работы фотоэлементов и фотоумножителей. Основные типы устройств:
Применение:
Историческая роль фотоэффекта в физике
Изучение фотоэффекта стало решающим аргументом в пользу квантовой теории света. Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 году именно за объяснение фотоэффекта, а не за теорию относительности. Эксперименты по фотоэффекту продемонстрировали несостоятельность классического подхода к излучению и стали важным этапом становления квантовой физики.
Фотоэффект также дал начало развитию квантовой механики взаимодействия света и вещества, положил основу современным фотонике, оптоэлектронике и технологии солнечных элементов.