Законы внешнего и внутреннего фотоэффекта

Первый закон Столетова:
Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
Из эксперимента видно, что величина силы фототока отлична от нуля и при нулевом значении напряжения (рис. 4). Это значит, что часть вырванных светом фотоэлектронов достигает анода и при отсутствии напряжения.

Рис. 4. Величина силы фототока
Если изменить полярность батареи, то сила тока будет уменьшаться, и при некотором напряжении обратной полярности она станет равна нулю (рис. 5).

Рис. 5. Опыт Столетова при обратной полярности
Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод. Такое напряжение – задерживающее напряжение (рис. 6).

Рис. 6. Задерживающее напряжение
Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической энергии, можно найти значение кинетической энергии фотоэлектронов:

При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не меняется. Это значит, что не меняется кинетическая энергия фотоэлектронов.
На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света.
Второй закон Столетова:
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности (рис. 7).

Рис. 7. График увеличения  кинетической энергии
Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не наблюдается, достигается красная граница фотоэффекта.
Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота света для данного вещества, при которой наблюдается явление фотоэффекта.
Второй закон Столетова совершенно не объясним. При увеличении интенсивности света на электроны должна действовать большая сила, а следовательно, фотоэлектроны должны получать большую энергию, но на самом деле этого не происходит.
Объяснить теоретически эти экспериментальные законы смог Альберт Эйнштейн, применив к ним гипотезу Макса Планка.

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) – явление взаимодействия света с веществом, при котором энергия излучения передаётся его электронам. Если явление сопровождается выходом электронов за пределы вещества, фотоэффект называют внешним, если не сопровождается – внутренним. Во втором случае он проявляется в изменении концентрации электронов и других носителей зарядов в различных частях вещества, изменяя его электрические и оптические свойства, что можно обнаружить опытами. Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г.Герцем, однако его экспериментальные исследования были выполнены русским учёным А.Г.Столетовым, немецким физиком В.Гальваксом и итальянским учёным А.Риги. Именно он и назвал явление фотоэффектом. Для наблюдения внешнего фотоэффекта в школьных условиях можно соединить с электрометром заряженную цинковую пластину и направить на неё ультрафиолетовое излучение (см. рисунок). Электрометр будет показывать постепенное уменьшение заряда пластины, если он отрицательный. При положительном заряде пластины фотоэффект отсутствует. Следовательно, под действием ультрафиолета пластину покидают именно отрицательно заряженные частицы – электроны. Законы внешнего фотоэффекта были установлены А.Г.Столетовым с помощью экспериментальной установки (см. рисунок). В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, впаивались два электрода. Через окошко из кварца, прозрачного для ультрафиолета, свет падает на катод К, изготовленный из цинка. Выбиваемые из него электроны под действием электрического поля устремлялись к аноду А, создавая в цепи ток. Его характеристики можно было менять с помощью потенциометра, а также измерять с помощью вольтметра и миллиамперметра. В результате опытов выяснилось, что испущенный телом заряд пропорционален поглощённой им световой энергии, а наибольшая сила тока возникает при коротковолновом излучении. Кроме того, существует так называемая «красная граница» фотоэффекта, то есть максимальная длина волны света, после превышения которой фотоэффект перестаёт наблюдаться. В 1888 г. А.Риги выяснил, что внешний фотоэффект наблюдается в разнообразных твёрдых телах: металлах, полупроводниках, диэлектриках, а также в газах на отдельных атомах и молекулах.

Внутренний фотоэффект был открыт в 1873 году американцем У.Смитом и англичанином Дж.Мейем. То есть ранее, чем внешний фотоэффект. Для наблюдения внутреннего фотоэффекта в школьных условиях можно воспользоваться фотодиодом (не путать со светодиодом) или старым транзистором, у которого аккуратно спилена металлическая крышечка, чтобы открыть доступ света к полупроводниковому кристаллу. Если его присоединить к выпрямителю и гальванометру, вы сможете наблюдать, как даже при дневном освещении проводимость кристалла резко возрастает. Такая проводимость называется фотопроводимостью. Законы внутреннего фотоэффекта намного сложнее законов внешнего, и здесь мы не будем их рассматривать. Однако отметим, что они опираются на известные вам из химии понятия валентности, электронных уровней и др., и позволяют объяснить возникновение фотоэффекта в полупроводниках. Внешний фотоэффект нашёл применение в технике ещё в первой половине XX века. Это, конечно же, голос прежде немого кинематографа. Фотоэлемент позволяет превратить звук, «сфотографированный» на киноплёнке, в слышимый. Свет обычной лампы проходил через звуковую дорожку киноплёнки, изменялся и попадал на фотоэлемент (см. фото). Чем больше света проходило через дорожку, тем громче был звук в динамике. В неживой природе внешний фотоэффект проявляется миллионы лет в планетарных масштабах. Мощное солнечное излучение, воздействуя на атомы и молекулы земной атмосферы, выбивает из них электроны, то есть ионизирует верхние слои атмосферы. Внутренний фотоэффект в настоящее время в технике используется гораздо чаще внешнего. Например, он превращает свет в электрический ток в фотоэлементах и огромных солнечных батареях космических кораблей. Фотоэффект «работает» и в специальных светочувствительных приборах, таких как, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Благодаря этому можно считать детали на конвейере или производить автоматическое включение и выключение различных механизмов (маяки, уличное освещение, автоматическое открывание дверей и др.). Также благодаря внутреннему фотоэффекту можно преобразовывать изображение в электрические сигналы и передавать на расстояние (телевидение). Наиболее крупномасштабное применение фотоэффекта сегодня – это уже построенные солнечные электростанции, а также проекты строительства новых таких станций мощностью до нескольких сотен мегаватт. По оценкам специалистов, в 2020 году до 20% мировой электроэнергии будет производиться за счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии на Земле и в космосе.