Фотоефект – це одне з дивовижних фізичних явищ, тимчасові масштаби розвитку уявлень про який охоплюють близько трьох століть. У цій статті розглянемо історію цього явища, а також наведемо і опишемо головне рівняння фотоефекту.
Передумови відкриття явища
Передумови відкриття явища фотоефекту зародилися ще в далекому XVII столітті, коли Ісаак Ньютон висунув корпускулярну теорію світла. Згідно їй, пучок світла складався з різнокольорових маленьких частинок – корпускул. Ця теорія проіснувала півтора століття і з успіхом пояснювала явища відбиття і заломлення світла.
Але ось настала перша половина XIX століття, і англійський учений Томас Юнг в своєму експерименті з щілиною і монохроматичним пучком світла показав, що розглянутий фізичний об’єкт має хвильову природу.
В 60-е роки XIX століття Джеймс Максвелл на підставі теоретичних розрахунків побудував досить струнку теорію електромагнетизму, в якій він зміг об’єднати всі на той момент відомі явища магнітного і електричного характеру. Максвелл передбачив існування електромагнітних хвиль, підтвердивши тим самим досліди Юнга.
Німецький фізик Генріх Герц поставив експерименти, в яких довів існування передбачені Максвеллом хвиль і попутно відкрив явище фотоефекту.
Досліди Генріха Герца
Ідея постановки дослідів Герца народилася безпосередньо з теорії Максвелла, яка говорила, що змінне електричне або магнітне поле здатне породжувати електромагнітні хвилі. Останні ж здатні індукувати змінний струм в будь-якому провіднику, який їх приймає.
У 1887 році Герц, використовуючи котушку Румкорфа, зарядив дві металеві сфери, викликавши іскровий розряд між ними. Цей розряд створив хвилю, яка, породжуючи змінний струм в приймачі, призвела до ще одного іскрового розряду в маленькому повітряному зазорі. Цей розряд був настільки слабким, що Герц мав приймач в темному приміщенні, щоб побачити іскру. І ось тут вчений помітив одну дивну річ: іскра в темному приміщенні була слабшою, ніж у світлому.
Опублікувавши свою роботу, Герц не зміг пояснити зазначені зміни інтенсивності іскри. Задовільне пояснення було дано лише в 1905 році Альбертом Ейнштейном. Але до того, як це сталося в історії відкриття фотоефекту з’явилася ще одна вагома фігура.
Олександр Столєтов та його експерименти
А. Р. Столєтов – видатний російський вчений другої половини XIX століття, який вніс значний вклад у розвитку уявлень про електромагнетизм. Але більше всього відомі досліди Столетова по вивченню фотоефекту.
Ці експерименти він поставив в 1888 році. Полягали вони в наступному: підключивши повітряний конденсатор до слабкого джерела живлення, вчений спрямував світло від ртутної лампи на катод (цинкову пластину конденсатора), при цьому він спостерігав появу електричного струму в ланцюзі.
Ці досліди Столєтова дозволили сформулювати перший закон фотоефекту: індукований в ланцюзі струм прямо пропорційний інтенсивності падаючого світла на катод. Російський вчений пояснив це явище вириванням негативно заряджених частинок електромагнітною хвилею з матеріалу катода. Зауважимо, що на момент постановки цих дослідів електрон ще не був відкритий.
Альберт Ейнштейн і сучасна теорія фотоефекту
У 1905 році, використовуючи результати досліджень різних вчених (Столетова, Томсона, Планка), Ейнштейн опублікував статтю “Про евристичної точці зору, що стосується виникнення і перетворення світу”, в якій дав вичерпне пояснення розглянутого явища і навів рівняння фотоефекту.
Сучасні закони фотоефекту формулюються наступним чином:
- Між інтенсивністю світла і індукованим фотострумом існує пряма пропорційність (закон Столетова).
- Існує певна частота світла, називається пороговою, нижче якої розглянуте явище не спостерігається.
- Кінетична енергія вирваного фотоном електрона прямо пропорційна частоті фотона і не залежить від інтенсивності світла, що падає на катод.
- Цей ефект виникає миттєво, як тільки світло падає на матеріал.
Теорія фотоефекту. Рівняння Ейнштейна
Щоб зрозуміти наведені вище положення для фотоефекту, слід розглянути, що відбувається з електроном в атомі, коли його опромінюють світлом. Головна заслуга Ейнштейна полягала в тому, що він зміг здогадатися, що взаємодіє з електроном не електромагнітна хвиля, а квант світла певної енергії – фотон. Фотон повністю поглинається електроном, передаючи йому свою енергію. Далі доля електрона може бути наступною:
- Якщо переданої енергії від фотона недостатньо, щоб вирватися з атома, електрон спочатку переходить у збуджений стан, а потім повертається в основний стан з випромінюванням фотонів.
- Якщо енергія фотона більше роботи виходу електрона, тоді він виривається з матеріалу і переходить у вільний стан.
Рівняння фотоефекту має вигляд:
h×v = h×v0 + Ek.
Тут v – частота фотона, v0 – червона межа фотоефекту або порогова частота, нижче якої явище не спостерігається, Ek – кінетична енергія вільного електрона, h – постійна Планка.
Рівняння фотоефекту показує, що енергія фотона (h×v) витрачається на виривання електрона з матеріалу (h×v0) та на повідомлення йому деякої швидкості (Ek).
Фотоефект і сонячні батареї
Явище фотоефекту широко використовується для виробництва електричної енергії з сонячного світла. Ця енергія витрачається як для задоволення побутових потреб, так і для харчування електроніки на космічних супутниках.
Основним матеріалом для сонячних батарей у даний час є кремній. Індукована ЕРС батареї виникає, коли світло падає на область p-n переходу напівпровідника.
