Фотоефект та його закони
Фотоефект — це повне або часткове вивільнення електронів від зв'язків з ядрами атомів речовини внаслідок дії на неї електромагнітного проміння (світла, рентгенівського чи гамма-променів).
Розрізняють:
- зовнішній фотоефект – вибивання електронів під дією світла (фотоелектронна емісія), гамма-випромінювання тощо;
- внутрішній фотоефект – збільшення електропровідності напівпровідників або діелектриків під дією світла (фотопровідність);
- вентильний фотоефект – збудження світлом електрорушійної сили на межі між металом і напівпровідником або між різнорідними напівпровідниками (р-n перехід).
Фотоефект застосовується в ряді аналізаторів речовини. Явище фотоефекту покладено в основу дії фотоелементів.
Вперше прямий вплив світла на електрику виявив німецький фізик Генріх Герц. Герц встановив, що заряджений провідник, освітлений ультрафіолетовим промінням, швидко втрачає свій заряд. Помічене явище було описане Герцом в його статтях 1887–1888 років, але залишилося без пояснення, оскільки фізична природа його була неочевидною. Проте 26 лютого 1888 року російський учений Олександр Столєтов (1839–1896) здійснив дослід, що наочно продемонстрував зовнішній фотоефект і показав істинну природу та характер впливу світла на електрику. Перші досліди з світлом Столєтов проводив із звичним електроскопом. Освітлюючи електричною дугою цинкову пластину, заряджену негативно і сполучену з електроскопом, він виявив, що заряд швидко зникав, тоді як позитивний заряд не знищувався.
Припустімо, що при опроміненні світлом з поверхні вилітають електрони. Тоді при освітлені негативно зарядженої цинкової пластинки електрони вилітають і ще додатково відштовхуються електричним полем пластинки. Тому негативний заряд швидко зникає. Інша річ із позитивним зарядом. Якщо електрон вилетів, то його з одного боку притягує електричне поле пластинки, з другого його виліт не зменшує, а збільшує позитивний заряд пластинки. Столєтов назвав відкритий ефект активно-електричним розрядом.
Електронна природа фотоефекту була доведена в 1899 році Дж. Дж. Томсоном і в 1900 році Ленардом.
Для постановки точних дослідів Столєтов створив експериментальний прилад, що став прообразом сучасних фотоелементів. Прилад складався з двох плоскопаралельних дисків, один з яких був сітчастий і пропускав світлове випромінювання.
До дисків підводилася напруга від 0 до 250 В, причому до суцільного диска підключався негативний полюс батареї. При освітленні суцільного диска ультрафіолетовим світлом включений у коло чутливий гальванометр відзначав протікання струму, незважаючи на наявність повітря між дисками. Продовжуючи досліди, Столєтов встановив залежність фотоструму від величини напруги батареї та інтенсивності світлового пучка. Подальші роботи привели до створення першого у світі фотоелемента, що був скляним балоном з кварцовим вікном для пропускання ультрафіолетового проміння. Всередину балона поміщалися електроди, один з яких був чутливий до світла, газ відкачувався. Сучасні фотоелементи відрізняються від першого лише конструкцією електродів та їхньою структурою.
Закони фотоефекту
1. Кількість фотоелектронів прямо пропорційна інтенсивності світла.
2. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, кінетична енергія фотоелектронів прямо пропорційна частоті світла.
3. Для кожної речовини існують порогові значення частоти та довжини хвилі світла, які відповідають межі існування фотоефекту; світло з меншою частотою та більшою довжиною хвилі фотоефекту не викликає. Оскільки це порогове значення завжди ближче до червоного світла, то йому дали назву червона межа фотоефекту.
4. Фотоефект є безінерційним і виліт фотоелектронів починається з моменту освітлення катода.
Зрозуміло, що червона межа фотоефекту існує завдяки притягуванню електронів до ядер. Разом з тим, останній закон не можна пояснити на основі уявлення про світло як неперервні плавні коливання у вакуумі-ефірі: такі хвилі мали довго розгойдувати електрони до того моменту, коли швидкість останніх стала б достатньою для відриву від металу.
Повне пояснення фотоефекту належить Альберту Aйнштaйну, який використав ідею німецького фізика Макса Планка про те, що світло випромінюється і поширюється окремими порціями — квантами, які отримали назву фотонів. Для обчислення енергії кванта світла Макс Планк запропонував просту формулу:
Е = hν
де Е – енергія фотона, h - постійна Планка, ν - частота.
Айнштайн висловив припущення, що фотоефект відбувається внаслідок поглинання фотоном одного кванта, а інші кванти не можуть брати участь у цьому процесі. Тоді енергія одного кванта світла (фотона) витрачається на подолання бар'єру (виконання роботи виходу, відриву від матеріалу) і надання кінетичної енергії фотоелектрону. Щоб вивільнити електрон із металу йому необхідно передати енергію, більшу за роботу виходу.
Теоретичне пояснення явища дав Альберт Aйнштaйн, за що отримав Нобелівську премію. Ейнштейн використав гіпотезу Макса Планка про те, що світло випромінюється порціями (квантами) із енергією, пропорційною частоті.
Припустивши, що світло і поглинається такими ж порціями, він зміг пояснити залежність швидкості вибитих електронів від довжини хвилі опромінення:
де ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його максимальна швидкість, A — робота виходу.
Робота Aйнштaйна мала велике значення для розвитку ідей квантової механіки взагалі та квантової оптики зокрема.
