Фотоэффект. Фотоэлементы: вакуумный и полупроводниковый. Применение селенового фотоэлемента в качестве люксметра

ФОТОЭФФЕКТ.

          Фотоэлементы: вакуумный и полукпроводниковый.

      Применениеселенового фотоэлемента в качестве люксметра.

                   Фотоэлектронный умножитель.

            Электронно-оптический преобразователь.

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное)

электронов от связей с атомами и молекулами  вещества  под  воздействием света  (видимого,  инфракрасного,  ультрафиолетового и других).

Если электроны  выходят  за  пределы  освещаемого  вещества

(полное освобождение),  то фотоэффект называется внешним (открыт в 1887  году Герцем и подробно исследован в 1888 году А.Г.Столетовым).

Если же электроны теряют связь только со "своими" атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества  в  качестве

"свободных электронов" (частичное освобождение),  увеличивая тем самым электропроводность  вещества,  то  фотоэффект   называется внутренним (открыт в 1873 году американским физиком У.Смитом).

Внешний фотоэффект наблюдается в газах на отдельных  атомах и молекулах  (фотоионизация)  и в конденсированных средах.  Если отрицательнозаряженную цинковую пластинку,  соединенную с электроскопом, осветить УФ светом,  то электроскоп быстро разрядится;

в случае положительно заряженной пластинки разрядки не  происходит. Отсюда  следует,  что свет вырывает из металла отрицательно заряженные частицы.  Определение величины их заряда (выполненное в 1898  году Дж.Дж.Томсоном) показало,  что эти частицы являются электронами.

Экспериментальные исследования,  выполненные СТолетовым,  а также другими учеными, привели к установлению следующих основных законов внешнего фотоэффекта.

1. Фототок насыщения I (то есть максимальное число электронов, освобожденных светом в 1 сек) прямо пропорционален световому потоку Ф:

I = кФ, где к - называется  фоточувствительностью освещаемой поверхности (измеряется в мка на момент).

2. Скорость фотоэфлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Независимо от интенсивности света фотоэффект  начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света, называемой "красной границей" фотоэффекта.

Второй и  третий законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света.

Законы внешнего  фотоэффекта  получают простое истолкование на основе квантовой теории света.  По этой теории, величина светового потока  определяется  числом  световых квантов (фотонов), падающих в единицу времени на поверхность металла.  КАждый фотон может взаимодействовать только с одним электроном.  Поэтому максимальное число фотоэлектронов должно быть пропорционально  световому потоку (1-ый закон фотоэффекта).

Энергия фотона hn,  поглощенная электроном,  расходуется на совершение электроном  работы  выхода  A  из металла;  отавшаяся часть этой энергии представляет собой кинетическую энергию фотоэлектрона    (где  m  -  масса электрона,V - его скорость).

Тогда, согласно закону сохранения энергии, можно написать:

.                                     (1)

Эта формула, предложенная в 1905 году Энштейном и подтвержденная затем многочисленными экспериментами, называется уравнением Энш-

тейна.

Из уравнения  Энштейна непосредственно видно,  что скорость фотоэлектрона возрастает с увеличением частоты света и не  зависит от его интенсивности (поскольку ни A, ни  n  не зависит от интенсивности света).  Этот вывод соответствует второму закону фотоэффекта.

Согласно формуле (1),  с уменьшением частоты света  кинетическая энергия  фотоэлектронов уменьшается (величина A постоянна для данного освещаемого вещества).  При некоторой достаточно малой частоте  n=n₀  (или  длине волны ) кинетическая энергия фотоэлектрона станет равной нулю ()  и  фотоэффект прекратится  (третий  закон  фотоэффекта).  Это будет иметь место при hn₀ = A,  то есть в случае,  когда вся энергия  фотона