ФОТОЭФФЕКТ

(фотоэлектронная эмиссия) – испускание электронов веществом при поглощении электромагнитного излучения.

Внутренний фотоэффект – явления, при которых, в отличие от внешнего фотоэффекта, оптически возбужденные электроны остаются внутри освещенного вещества, не нарушая его электрической нейтральности. При этом в веществе изменяется концентрация носителей заряда, подвижность и другие свойства. Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках и диэлектриках.

Положительное напряжение («+» на

аноде) соответствует ускоряющему электрическому полю, в которое попадают вылетающие из катода фотоэлектроны.
Чем больше интенсивность света , тем больше число фотоэлектронов , вылетающих из катода в единицу времени, тем больше фототок.
При достаточно больших положительных напряжениях все фотоэлектроны достигают анода, обуславливая фототок насыщения iнас.







где e – элементарный заряд,



Закон Столетова подтверждается экспериментально при любых сколь угодно малых интенсивностях света.

I.
Графики зависимостей фототока i от напряжения V

между анодом и катодом при поглощении катодом излучения разных частот .

падающего на катод .
Графики зависимости максимальной

кинетической энергии фотоэлектронов от частоты и материала катода.

электромагнитные волны.

Поглощение света – непрерывный процесс передачи энергии, в

результате металл нагревается.

Количество переданной энергии при поглощении определяется интенсивностью падающего света
, где - плотность энергии световой волны, - амплитуда электрического поля волны.

классический результат: При большей интенсивности света электроны поглощают больше энергии

и после выхода из металла должны иметь большее значение кинетической энергии.
Передача энергии электронам определяется квадратом амплитуды электрического поля световой волны, а не частотой.
Эксперимент: 1. От интенсивности зависит только число вылетающих
электронов в единицу времени , которое определяет величину тока насыщения .
2. не зависит от интенсивности, а зависит только от частоты падающего света.
Ожидаемый классический результат: Фотоэффект должен наблюдаться при всех частотах.
Эксперимент: Существует граничная частота . При частотах фотоэффект не наблюдается при любых интенсивностях.
Ожидаемый классический результат: В поглощении света малой интенсивности участвуют все электроны приповерхностного слоя металла, и требуется довольно продолжительное время для того, чтобы какой-то электрон преодолел поверхностный потенциальный барьер. Такой процесс при малой температуре металла маловероятен.
Эксперимент: 1. Время задержки эмиссии электронов не зависит от интенсивности.
2. Если , фотоэффект наблюдается при любой, даже самой слабой интенсивности.

Он начал говорить
только в 4 года, в 7 лет с

трудом выводил буквы. Учителя и родители полагали,
что из него явно не вырастет гений …

приходится пересматривать представления о природе электромагнитного излучения. Существует два способа

передачи энергии: либо посредством волн, либо посредством частиц.
Экспериментальные факты по фотоэффекту склоняют к корпускулярному механизму передачи световой энергии.
Гипотеза А. Эйнштейна (1905г.: Электромагнитное излучение не непрерывно, а состоит из квантов энергии. Оно испускается и поглощается веществом дискретно, квантами, и распространяется в виде неделимых квантов, локализованных в пространстве.
Позднее, в 1926г, частицы излучения были названы фотонами. Идею квантов излучения Эйнштейн применил к теории фотоэффекта.
Эйнштейн распространил идею Планка о квантовании атомных осцилляторов на электромагнитное излучение.

в пространстве неделимых квантов – фотонов с энергией

.
При облучении фотокатода реализуется корпускулярный механизм передачи энергии электронам в металле.
Поскольку энергия поступает порциями , она может быть передана целиком одному электрону, который оказывается в состоянии вылететь из металла.
Процесс поглощения фотона и передачи его энергии электрону имеет вероятностный характер.
Если электрон, получивший энергию , находился на поверхности металла, и для преодоления потенциального барьера ему необходима энергия, равная работе выхода , то после вылета его энергия будет максимальной.
Уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

или


Эти уравнения следуют из закона сохранения энергии, если пренебречь потерями энергии при столкновениях на пути к поверхности.

как отношение числа фотоэлектронов , испускаемых катодом

, к числу падающих фотонов за секунду.
Учитывая, что и , где - поглощенный
катодом поток излучения частоты , квантовая эффективность равна

 


Отношение называется спектральной фоточувствительностью катода (чувствительностью к монохроматическому излучению).
Квантовая эффективность для щелочных металлов,
таких как калий, натрий, равна ,
для большинства остальных металлов . .
Если на катод падает всего лишь один фотон, то невозможно точно предсказать, будет ли он поглощен или нет. Можно только говорить о вероятности поглощения.
При слабом потоке фотонов величина имеет смысл вероятности.

получает энергию от одного фотона. Такие процессы называются однофотонными.
При

достаточно большой интенсивности лазерного излучения возможно рождение фотоэлектрона вследствие поглощения не одного, а сразу нескольких N фотонов с энергией .
В этом случае многофотонный аналог уравнения Эйнштейна запишется в виде




и явление может наблюдаться за красной границей .
Нижняя частотная граница многофотонного фотоэффекта уменьшается до значения




Впервые многофотонный (двухфотонный) внешний фотоэффект наблюдался в 1964г в натрии.