Виды фотоэлектрического эффекта

Фотоэлектрическим эффектом называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества.

Существует три вида фотоэлектрического эффекта:

1.) внешний

2.) внутренний

3.) вентильный

Внешним фотоэлектрическим эффектом называется испускание электронов () веществом под действием электромагнитным излучением. Внешний фотоэлектрический эффект наблюдается в твердых телах (металл, полупроводники, диэлектрики), а так же в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Внутренний фотоэлектрический эффект – это вызванные электромагнитным излучением перехода электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета.

В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости или к возникновению электродвижущей силы.

Вентильный – возникновение электродвижущей силы (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух различных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего поля).

Этот фотоэлектрический эффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Фотоэлектрический эффект был обнаружен в 1887г. Герцем и детально исследован в работах Столетова.

В опыте Столетова в электрическую цепь был включен конденсатор, одна из обкладок которого (положительно заряжена) была изготовлена из медной сетки, а вторая (отрицательно заряжена) цинковая пластинка.

Оказалось, что даже при незамкнутой цели при излучении электрической дуги, содержащей ультрафиолетовое излучение, в цепи возникает электрический ток.

Изобразим вольтамперную характеристику фототока (зависимость фототока  от напряженности между электродами).

Здесь изображены две кривые, соответствующие различным освещенностям катода  (частота света в обоих случаях одинакова).

По мере увеличения  , фототок постоянно возрастает, т.е. большое число фотоэлектронов достигает анода. Положительная характеристика кривых показывают, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение  тока насыщения определяется таким значением , при котором все электроны, испускаемые катодам достигли анода.

(5.1)

где  - число электронов, используемых катодом в 1с.

Из вещества характеристики следует, что при  фототок не исчезает, следовательно электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторые начальные скорости  их кинетическая энергия не равняется нулю, и они могут достичь анода без внешнего поля.

Для того, чтобы фототок стал равен нулю, необходимо приложить задерживающее напряжения .

При  ни один из электронов не может преодолеть задерживающего потенциала и достигнуть анода.

Следовательно:

(5.2)

Т.е. измерив заряд напряжения , может определить максимальное значение скорости и кинетическая энергию электронов. При изучении вещества характеристику различных материалов, при различных частотах падающего на катод изучения и различных освещенности были установлены следующие три законы фотоэффекта.

 

5.2 Законы внешнего фотоэффекта (законы Столетова)

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлементов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость (максимальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой , а именно линейно возрастает с увеличением частоты.

3. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота  света при котором свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

4. Безынерционность фотоэффекта сразу кажется, что не должно быть трудностей при объяснении фотоэффекта с волновой точки зрения. Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонаторе) может быть достигаться для того, чтобы электроны покинули металл, тогда и наблюдается фотоэффект. Но кинетическая энергия должна быть зависит от интенсивности падения света, так как с увеличением интенсивности, передается большая энергия. Однако, это противоречит второму закону.

Далее по теории, передаваемая электронам энергия приблизительна равна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должно быть бы вырывать электроны из металла, т.е. «красная граница» не должна существовать (это против третьего закона).

И нужно было время, чтобы раскачать электрон, т.е. нарушена безынерционность фотоэффекта (закон четвертый).