Фотоэлектрический эффект. Закон Эйнштейна

Помимо волновых свойств, свет обладает некоторыми свойствами, которые позволяют сказать, что световой поток – это поток особых частиц (фотонов), обладающих определенной энергией и импульсом. Одним из доказательств этого были опыты по изучению внешнего фотоэлектрического эффекта. Эти опыты служат также доказательством гипотезы Планка о квантах.

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света. Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ под действием света, при этом электроны выходят за пределы вещества. Если электроны остаются внутри вещества, но освобождаются от связи с конкретным атомом, то такой фотоэффект называют внутренним. Внешний фотоэффект наблюдается у металлов (Рис. 2).

Рис. 2. Схема наблюдения внешнего фотоэффекта

Отрицательный полюс батареи присоединен к металлическому катоду (например, из цинка), который освещается через прозрачное окно. Как только на катод падает свет, вырываемые из него фотоэлектроны начинают двигаться к аноду, и в цепи возникает ток, регистрируемый гальванометром.

Было установлено, что фотоэффект может быть объяснен на основе квантовой теории света. По этой теории, световой поток определяется некоторым числом световых квантов, падающих на поверхность металла в единицу времени. Каждый фотон может взаимодействовать только с одним электроном. Поэтому максимальное число фотоэлектронов должно быть пропорционально световому потоку. Полностью фотоэффект можно описать с помощью закона Эйнштейна: , где А – работа выхода электрона из металла или жидкости, m – масса и – скорость вырванных электронов (фотоэлектронов).

Из уравнения Эйнштейна следует, что энергия одного светового кванта затрачивается на вырывание одного электрона и придания ему кинетической энергии. Поскольку А – величина для данного вещества постоянная, скорости фотоэлектронов оказываются зависящими только от частоты падающего света. Например, для платины А = 5,29 эВ, для цинка А = 4,19 эВ, для цезия А = 1,89 эВ. Внешний фотоэффект возможен, когда выполняется неравенство: .

В случае равенства энергии фотона работе выхода получаем: .

Частота соответствует красной границе фотоэффекта, поскольку это минимальная частота, еще вызывающая фотоэффект. Ей соответствует длина волны света, близкая к длинным волнам (красной части спектра).

Применение внешнего фотоэффекта позволило создать вакуумный фотоэлемент. Материалом катода является соединения сурьмы и цезия или цезия и кислорода, обладающие высокой фоточувствительностью.

Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках и в некоторых диэлектриках. Фотоэлементы, основанные на внутреннем фотоэффекте, называются фотосопротивлениями, поскольку при освещении такого прибора его электрическое сопротивление резко уменьшается.

Фотоэффект в полупроводниках применяют также для создания солнечных батарей.