Фотоэффект

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем[2][3][4]. При работе с открытым резонатором он заметил, что если посветить ультрафиолетом на цинковые разрядники, то прохождение искры заметно облегчается.

В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов[5], опубликовавший 6 работ[6][7][8][9][10][11]. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта[12].

Ещё Столетов пришёл к выводу, что «Разряжающим действием обладают, если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими лучами, лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре», то есть вплотную подошёл к выводу о существовании красной границы фотоэффекта. В 1891 г. Эльстер и Гейтель при изучении щелочных металлов пришли к выводу, что, чем выше электроположительность металла, тем ниже граничная частота, при которой он становится фоточувствительным[13].

Томсон в 1898 году экспериментально установил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами). Поэтому увеличение фототока с ростом освещённости следует понимать как увеличение числа выбитых электронов с ростом освещённости.

Исследования фотоэффекта Филиппом Ленардом в 1900—1902 годах показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

Схема учебного эксперимента по исследованию фотоэффекта. Из света берётся 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 объяснён 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:

${\displaystyle h\nu =\phi +{\frac {mv_{m}^{2}}{2}}}$

где ${\displaystyle \phi }$  — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества) . Для обозначения работы выхода в современной научной литературе A не используется;

${\displaystyle {\frac {mv_{m}^{2}}{2}}}$  — максимальная кинетическая энергия вылетающего электрона;

${\displaystyle \nu }$  — частота падающего фотона с энергией ${\displaystyle h\nu }$ ;

h  — постоянная Планка .

Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта при T = 0 K, то есть существование наименьшей частоты (${\displaystyle {h\nu }_{\min }=\phi }$), ниже которой энергии фотона уже недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла.

В 1906—1915 годах фотоэффект обрабатывал Роберт Милликен. Он смог установить точную зависимость запирающего напряжения от частоты (действительно оказавшуюся линейной) и на его основании смог вычислить постоянную Планка. «Я потратил десять лет моей жизни на проверку этого эйнштейновского уравнения 1905 г., — писал Милликен, — и вопреки всем моим ожиданиям я вынужден был в 1915 г. безоговорочно признать, что оно экспериментально подтверждено, несмотря на его несуразность, так как казалось, что оно противоречит всему, что мы знаем об интерференции света». В 1923 году Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики «за работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта».

Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

Законы внешнего фотоэффекта:

1-й закон фотоэффекта (закон Столетова): Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения[14]. При неизменном спектральном составе электромагнитного излучения, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещённости катода (иными словами, число фотоэлектронов, выбиваемых из катода в единицу времени прямо пропорционально интенсивности излучения).

2-й закон фотоэффекта: Максимальная кинетическая энергия выбиваемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности[14].

3-й закон фотоэффекта: Для каждого вещества при определённом состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая ей длина волны называется красной границей фотоэффекта[14].

Внешний фотоэффект практически безынерционен. Фототок немедленно возникает при освещении поверхности тела, при условии что фотоэффект может существовать[14].

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

Фотоэффект разделяют на поверхностный, когда фотоэлектрон вылетает из поверхностного слоя атомов и объемный фотоэффект, когда фотоэлектрон вылетает из объема твердого тела . Объемный фотоэффект рассматривается трехстадийный:

на первой стадии происходит возбуждение электрона атома в возбужденное состояние, на второй стадии под действием тянущего электрического поля электрон достигает поверхности, на третьей стадии если энергия электрона достаточна для преодоления потенциального барьера на поверхности, то он вылетает из твердого тела. В общем виде можно записать:

${\displaystyle h\nu =E_{b}+E_{l}+E_{kin}+\phi }$

где ${\displaystyle E_{b}}$ - энергия связи электрона относительно уровня Ферми, ${\displaystyle E_{l}}$ - потери энергии электрона по пути к поверхности, в основном за счет рассеяния на кристаллической решетке, ${\displaystyle E_{kin}}$ - кинетическая энергия вылетевшего в вакуум электрона.

Основные закономерности внешнего фотоэффекта для металлов хорошо описываются теорией Фаулера[15] [16] . Согласно ей после поглощения в металле фотона его энергия переходит электронам проводимости, в результате чего электронный газ в металле состоит из смеси газов с нормальным распределением Ферми — Дирака и возбуждённым (сдвинутым на ${\displaystyle h\nu }$) распределением по энергиям.

Плотность фототока определяется формулой Фаулера:

${\displaystyle j={\begin{cases}{{B}_{1}}{{T}^{2}}\exp \left({\frac {h\nu -h{{\nu }_{\min }}}{kT}}\right),&h\nu \leqslant {{h\nu }_{\min }}-2kT,\\{{B}_{2}}{{T}^{2}}\left({\frac {{(h\nu -h{{\nu }_{\min }})}^{2}}{{{k}^{2}}{{T}^{2}}}}+{{B}_{3}}\right),&h\nu >{{h\nu }_{\min }+2kT},\\\end{cases}}}$

где ${\displaystyle B_{1}}$, ${\displaystyle B_{2}}$, ${\displaystyle B_{3}}$ — некоторые постоянные коэффициенты, зависящие от свойств облучаемого металла. Формула справедлива при энергиях возбуждения фотоэмиссии, не превышающих значения работы выхода металла более чем на несколько электрон-вольт. Теория Фаулера даёт совпадающие с экспериментом результаты только в случае нормального к поверхности падения света.

Важной количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход Y — число эмитированных электронов в расчёте на один фотон, падающий на поверхность тела. Величина Y определяется свойствами вещества, состоянием его поверхности и энергией фотонов.

Квантовый выход фотоэффекта из металлов в видимой и ближней УФ-областях Y < 0,001 электрон/фотон. Это связано, прежде всего, с малой глубиной выхода фотоэлектронов, которая значительно меньше глубины поглощения света в металле. Большинство фотоэлектронов рассеивает свою энергию до подхода к поверхности и теряет возможность выйти в вакуум. При энергии фотонов вблизи порога фотоэффекта большинство фотоэлектронов возбуждается ниже уровня вакуума и не даёт вклада в фотоэмиссионный ток. Кроме того, коэффициент отражения в видимой и ближней УФ-областях велик и лишь малая часть излучения поглощается в металле. Эти ограничения частично снимаются в дальней УФ-области спектра, где Y достигает величины 0,01 электрон/фотон при энергии фотонов E > 10 эВ.

Векториальным фотоэффектом называется зависимость фототока от направления поляризации падающего света, являющаяся следствием проявления волновых свойств света. Особенно сильно фототок увеличивается, когда вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости падения (чувствительность значительно больше по величине и спектральная характеристика имеет избирательный максимум) по сравнению с тем, когда он перпендикулярен плоскости падения (фототок монотонно возрастает с увеличением частоты). Векториальный фотоэффект объясняется фототоком электронов, находящихся в поверхностном слое металла, где действует электрическое поле двойного слоя, создающее потенциальный барьер.[17][18][19].

В 1839 году Александр Беккерель наблюдал[22] фотовольтаический эффект в электролите.

В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что селен является фотопроводящим[23][24].

Вентильный фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое — явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит).

Фотовольтаический эффект — возникновение электродвижущей силы под действием электромагнитного излучения[25]. Применяется для измерения интенсивности падающего света (например в фотодиодах) или для получения электричества в солнечных батареях.

Сенсибилизированным фотоэффектом называется фотоэффект, сопровождающийся явлением сенсибилизации, то есть изменением величины и спектра фоточувствительности в широкозонных фотопроводниках органической и неорганической природы в зависимости от структуры молекулярных соединений[26].

Фотопьезоэлектрическим эффектом называется явление появления в полупроводнике фото электродвижущей силы в условиях внешнего неравномерного сжатия полупроводника[27].

Фотомагнитным эффектом называется возникновение электродвижущей силы в освещенном однородном полупроводнике в магнитном поле[27].