Фотоэффект

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

Явление открыто Г. Р. Герцем в 1887 г. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта были выполнены А. Г. Столетовым в 1888 г. Объяснение законов фотоэффекта на основе квантовых представлений дал А. Эйнштейн в 1905 г.

В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний и внутренний фотоэффекты. В первом – поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела, во втором – электроны остаются в теле, но изменяют своё энергетическое состояние. Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения. Свободный электрон не может поглотить фотон, поскольку при этом одновременно не выполняются закон сохранения энергии и закон сохранения импульса. Фотоэффект в атоме, молекуле или конденсированной среде возникает из-за связи электрона с окружением. Эта связь характеризуется в атоме энергией ионизации, в конденсированной среде – работой выхода. 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: $\hbar\nu = \mathcal{E}_i + \mathcal{E}$, где $\hbar\nu$ – энергия фотона ($\nu$ – частота электромагнитной волны, $\hbar$ – постоянная Планка), $\mathcal{E}$ – кинетическая энергия фотоэлектрона, $\mathcal{E}_i$ – 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 ($\hbar\nu_{\text{min}} = \mathcal{E}_i$), 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 полупроводниках и диэлектриках – валентными электронами. В результате может наблюдаться фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) с граничной энергией фотонов, равной работе выхода, или внутренний фотоэффект с граничной энергией фотонов, равной ширине запрещённой зоны. Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект, связанный с возникновением электродвижущей силы при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (в отсутствие внешнего электрического поля).

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 ультрафиолетовой областях спектра $Y < 0,001$ электрон/фотон. Такая незначительная величина $Y$ связана, прежде всего, с малой глубиной выхода фотоэлектронов, 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 многофотонного поглощения света, 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 $\hbar\nu$ недостаточно для преодоления работы выхода $\mathcal{E}_i$, то эмиссия электронов может происходить за счёт многофотонного поглощения. Использование гамма-излучения с высокой энергией фотонов может приводить к вырыванию фотоэлектронов из «глубоких» оболочек атома и вызывать перестройку ядер атомов (фотоядерные реакции).

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