Фотоэффект

Фотоэффе́кт, Фотоэлектрический эффект – испускание электронов веществом под действием света (или любого другого электромагнитного излучения). В конденсированных (твердых и жидких) веществах выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы Столетова для фотоэффекта

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока.

Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-й закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света \(v_0\) (или максимальная длина волны \(\lambda_0\)), при которой еще возможен фотоэффект, и если \(\nu<\nu_{красной \ границы}\) то фотоэффект уже не происходит.

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией \(hv\) каждый, где \(h\) – постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая

работу выхода φ, покидает металл: \(hv=\varphi+W_e,\) где \(\ W_e\) – максимальная кинетическая энергия, которую имеет электрон при вылете из металла.

Исследования фотоэффекта показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

В 1888–1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта.

Схема эксперимента по исследованию фотоэффекта.

Из света берется узкий диапазон частот и направляется на катод внутри вакуумного прибора. Напряжением между катодом и анодом устанавливается энергетический порог между ними. По току судят о достижении электронами анода.

Фотоэффект был объяснен в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза – если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов) следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

\(hv = \varphi+\frac {mv^2}2,\)

где \(φ\) – т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), \(\frac{mv^2}2\) – максимальная кинетическая энергия вылетающего электрона, \(v\) – частота падающего фотона с энергией \(hv, \ h\) – постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты \((hv_{\min}=\varphi)\), ниже которой энергии фотона уже недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.