При взаимодействии вещества с поглощаемым электромагнитным излучением возникает фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Различают внешний и внутренний фотоэффект.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888-1890 гг. А. Г. Столетовым. 

В 1887 г. Герц обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает проскакивание искры между ними.

Чтобы обнаружить фотоэффект, можно использовать электрометр с подсоединенной к нему отрицательно заряженной пластиной. При освещении пластины она разряжается гораздо быстрее, чем без освещения. Если на пути пучка света поставить стекло, то эффект пропадает. Значит, вырывают электроны лучи, которые задерживаются стеклом – ультрафиолетовые.

Объяснение фотоэффекта:
под действием света с пластины из цинка вырываются электроны, которые отталкиваются от отрицательно заряженной пластины, и электроскоп разряжается быстрее.

Русский физик А.Г. Столетов изучил закономерности явления, которые впоследствии были названы законами Столетова для фотоэффекта. Два электрода (один в виде сетки, другой – плоский), находящиеся в вакууме, присоединены к батарее. Включенный в цепь амперметр служит для измерения возникающей силы тока. 

Для данного эксперимента ученый взял колбу из стекла, из которой полностью откачал воздух. Таким образом, он исключил все свободные атомы, способные помешать электронам двигаться. В колбу вывели электроды, подключенные к источнику напряжения.

В результате действия света на катод, с него начали выбиваться электроны. Под действием разности потенциалов электроны начали свое движение в направлении анода. Так как напряжение способствовало направленному движению электронов, то в цепи появился ток.  Данный ток получил название фототока, а частицы, вылетевшие с поверхности катода - фотоэлектронами.

Законы внешнего фотоэффекта

При увеличении напряжения сила тока растет и достигает максимального значения (ток насыщения). Логично предположить, что в результате уменьшения напряжения на электродах, частицы начнут двигаться медленнее, что приведет к уменьшению фототока в колбе.

Если продолжать уменьшать напряжение в цепи, и в конечном итоге поменять полярность, то электроны начнут двигаться в противоположном направлении. Это напряжение называется запирающим. Его величина определяется работой электрического поля по торможению электрона:

При изменении интенсивности светового потока изменяется количество выбитых электронов и, соответственно, сила тока насыщения, но не меняется их кинетическая энергия.

1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.

Движение электронов начинается только при достижении света определенной начальной частоты. Эта частота называется красной границей. Если частота излучения меньше красной границы, то фотоэффект не происходит, а значит, фототок равен нулю.

2. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

3. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота ν_min, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > ν_min.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

В 1905 г. теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hν, где h – постоянная Планка. Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что свет имеет прерывистую (дискретную) структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл -вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода.

Энергия кванта света расходуется на работу выхода и на сообщение электрону кинетической энергии

Это уравнение объясняет:

• Интенсивность света пропорциональна числу квантов энергии в световом пучке, определяет число вырванных электронов;
• Скорость электронов определяется только частотой света и работой выхода, т.е. зависит от типа металла и состояния поверхности, а от интенсивности света не зависит.

Таблица работа выхода

Применение фотоэффекта

Вакуумный фотоэлемент применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах, в управлении производственными процессами

Полупроводниковые фотоэлементы используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах,  используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах и в живых организмах.