Физические эффекты

Фотоэффект

Фотоэффе́кт, явление воздействия света или любого другого на вещество, сопровождающееся передачей энергии электронам вещества.

Явление открыто в 1887 г. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта были выполнены в 1888 г. Объяснение законов фотоэффекта на основе квантовых представлений дал в 1905 г.

В (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний и внутренний фотоэффекты. В первом – поглощение фотонов сопровождается вылетом за пределы тела, во втором – электроны остаются в теле, но изменяют своё энергетическое состояние. Фотоэффект в газах состоит в атомов или молекул под действием излучения. Свободный электрон не может поглотить фотон, поскольку при этом одновременно не выполняются и . Фотоэффект в атоме, молекуле или конденсированной среде возникает из-за связи электрона с окружением. Эта связь характеризуется в атоме , в конденсированной среде – . Фотоэффект в атоме заключается в поглощении фотона и последующей ионизации атома с испусканием электрона, при этом энергия фотона за вычетом энергии ионизации передаётся испускаемому электрону.

В конденсированных средах механизм поглощения фотонов зависит от их энергии. Закон сохранения энергии в фотоэффекте выражается соотношением Эйнштейна: ν=Ei+E\hbar\nu = \mathcal{E}_i + \mathcal{E}, где ν\hbar\nu – энергия фотона (ν\nu – частота электромагнитной волны, \hbar  – ), E\mathcal{E} – кинетическая энергия фотоэлектрона, Ei\mathcal{E}_i – энергия ионизации атома или работа выхода электрона из твёрдого тела. Из соотношения следует, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а её остаток переходит в кинетическую энергию электрона. Максимальная кинетическая энергия выбиваемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Существует наименьшая частота (νmin=Ei\hbar\nu_{\text{min}} = \mathcal{E}_i), ниже которой энергии фотона уже недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из вещества, её называют красной границей фотоэффекта.

В металлах энергия фотонов поглощается электронами проводимости, в и – валентными электронами. В результате может наблюдаться (внешний фотоэффект) с граничной энергией фотонов, равной работе выхода, или внутренний фотоэффект с граничной энергией фотонов, равной ширине . Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект, связанный с возникновением при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (в отсутствие внешнего ).

Важной количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход YY – число эмитированных электронов в расчёте на один фотон, падающий на поверхность тела. Величина YY определяется свойствами вещества, состоянием его поверхности и энергией фотонов. Квантовый выход фотоэффекта из металлов в видимой и ближней областях спектра Y<0,001Y < 0,001 электрон/фотон. Такая незначительная величина YY связана, прежде всего, с малой , которая значительно меньше глубины поглощения света в металле.

При высокой интенсивности излучения возможен многофотонный фотоэффект. В этом случае освобождающийся электрон одновременно получает энергию не от одного, а от нескольких фотонов. Практически все известные разновидности фотоэффекта (внутренний, вентильный, внешний) имеют свой «многофотонный вариант», отличающийся тем, что электроны вещества приобретают необходимую энергию в процессе , в то время как при «обычном» фотоэффекте требуемое возбуждение электронов достигается за счёт однофотонного поглощения. В результате многофотонного фотоэффекта при высоких интенсивностях излучения исчезает т. н. красная граница фотоэффекта: если энергии одного фотона ν\hbar\nu недостаточно для преодоления работы выхода Ei\mathcal{E}_i, то эмиссия электронов может происходить за счёт многофотонного поглощения. Использование с высокой энергией фотонов может приводить к вырыванию фотоэлектронов из «глубоких» оболочек атома и вызывать перестройку ядер атомов ().

Фотоэффект широко используется в исследовании строения вещества – атомных ядер, атомов, твёрдых тел, а также в (в частности, в разнообразных ).

  • Оптика