В 20-е роки XIX століття людство відкрило можливість перекладу теплової енергії в електричну (досліди Зеєбека і Пельтьє). Наприкінці того ж століття був відкритий інший спосіб генерації електрики – за допомогою світла. Дана стаття присвячена розгляду питання про те, що таке фотоефект.
Хто і коли відкрив фотоефект?
Відкриття фотоефекту в науці має довгу історію і пов’язаний безпосередньо зі спорами вчених про природу світла. В 1887 році, проводячи експерименти по доведенню існування електромагнітних хвиль, Генріх Герц відкрив явище фотоефекту. Що таке фотоефект, Герц пояснити не зміг, але отримані “дивні” опублікував результати. Суть цих результатів полягала в тому, що індукована в повітряному зазорі приймача іскра мала велику яскравість, коли приймач перебував на світлі, ніж коли вчений ставив його в темне приміщення.
Роком пізніше, тобто в 1888 році, російський вчений Олександр Столєтов провів ряд експериментів, з яких зробив ряд важливих висновків щодо особливостей фотоефекту. В даний час перший закон фотоефекту носить його прізвище.
Хто розробив теорію спостережуваного ефекту?
Зробив це Альберт Ейнштейн у 1905 році, за що в 1921 році отримав Нобелівську премію з фізики.
Сучасне розуміння що відбуваються під час цього ефекту процесів повністю засноване на ідеях Ейнштейна. Його головною заслугою було визнання того, що світ є не тільки хвилею, але і проявляє корпускулярні властивості у взаємодії з матерією (це положення відоме як корпускулярно-хвильовий дуалізм). Зокрема, електромагнітна хвиля розподілена в просторі не рівномірно, а складається з згустків енергії (квантів), які згодом отримали назву фотонів. Коли такий фотон падає на матеріал, то він взаємодіє тільки з одним електроном якого-небудь атома, передаючи йому всю свою енергію.
Справедливості заради відзначимо, що корпускулярна теорія була розроблена задовго до Ейнштейна в далекому XVII столітті, і зробив це Ісаак Ньютон. Ейнштейн ж не просто відродив ідею Ньютона, але включив у неї подання Макса Планка про квантах світла з енергією h*v.
Що таке фотоефект?
Тепер перейдемо до безпосереднього пояснення процесів на атомному рівні, пов’язаних з даним явищем.
Під фотоефектом розуміють виривання електронів з матеріалу і переведення їх у вільний стан за рахунок падаючого на цей матеріал світла. Відбувається це наступним чином: коли фотон потрапляє на атом речовини, то він взаємодіє з електроном, передаючи йому всю свою енергію. За рахунок цієї енергії електрон переходить на більш високі енергетичні рівні атома (збудження атома). Якщо величина переданої енергії буде достатньо великою, то електрон зможе відірватися від атома і вилетіти в міжатомних простір.
Часто говорять про внутрішньому і зовнішньому фотоефекті. Відрізняються вони один від одного тільки тим, куди потрапляє “вирвана” з атома електрон (якщо він залишається всередині матеріалу, то говорять про внутрішнє, якщо ж вилітає в атмосферу, то про зовнішній фотоефект). Згадані вище досліди Герца і Столетова – це приклад зовнішнього фотоефекту. Прикладом внутрішнього є робота сучасних сонячних батарей.
Основні закони фотоефекту
Завдяки проведеним дослідам кінця XIX століття і розробленої Ейнштейном теорії фотоефекту на початку XX століття, можна сформулювати наступні закони для цього явища:
- Інтенсивність падаючого випромінювання і сила струму, що виникає в ланцюзі, перебувають у прямій залежності.
- Існує деяка частотна межа, фотоефект нижче якої не відбувається, тобто фотони з частотою менше порогової не можуть “вирвати” електрони з атомів.
- Швидкість вильоту електронів не залежить від інтенсивності падаючого на матеріал світла, але залежить від його частоти.
- Фотоефект – це миттєвий процес (затримка не перевищує 1 нс).
Рівняння Ейнштейна
Розібравшись, що таке фотоефект, наведемо тепер рівняння, що його описує:
h*v = A + Ek.
Тут v – частота фонона, A – енергія, яку необхідно затратити, щоб “вирвати” електрон з атома, Ek – кінетична енергія вилетів електрона. Формула h*v описує енергію фотона згідно з уявленнями Макса Планка (h – постійна Планка).
З рівняння Ейнштейна слід одна важлива річ: мінімальна енергія фотона, фотоефект при якій ще можливий, буде дорівнює роботі виходу електрона:
h*v0 = A (Ek = 0).
Частота v0 дістала назву червоної кордону для цього фізичного явища. Оскільки частота фотона пов’язана через швидкість світла з його довжиною хвилі фотоефекту рівняння можна переписати наступним чином:
h*c/λ0 = A (Ek = 0).
Для багатьох металів робота виходу електрона A лежить в межах від 2-х до 6 ев, цим значенням відповідають довжини хвиль від 580 до 210 нм (частина видимого і ультрафіолетового спектру).
Поняття про струмі насичення
Розглядаючи питання, що таке фотоефект, слід розповісти про струмі насичення. Зробимо наступний експеримент: візьмемо повітряний конденсатор, утворений двома металевими пластинами, подсоединим його до електричної ланцюга і направимо на що є катодом пластину монохроматичний пучок світла певної інтенсивності. Гальванометр покаже, що в ланцюзі з’явився струм. Тепер будемо поступово збільшувати напруга між пластинами конденсатора, тоді струм теж буде збільшуватися до деякого значення, а потім стане постійним, незалежно від напруги. Це показано на малюнку нижче.
Тут Iconst. – струм насичення. Як видно з графіка, деякий струм буде існувати в ланцюзі навіть при нульовому потенціалі.
Пояснити описаний факт можна так: коли світло потрапляє на катод, то при його постійній інтенсивності й частоті фотоефект призводить до появи вільних електронів. Останні, вилітаючи з металу, рухаються в довільних напрямках і лише деяка їх частина потрапить на другу пластину конденсатора. Коли прикладають потенціал до пластин, то все більше й більше електронів починають досягати протилежної пластини. Це збільшення відбувається до тих пір, поки все “вирвані” електрони не будуть захоплені електричним полем, тобто настає насичення (Iconst.).
Подальше зростання струму можливий тільки за рахунок збільшення інтенсивності світла (зростає число “вирваних” електронів) або за рахунок збільшення частоти світла (зростає Ek електронів).
Поняття про гальмує потенціал
Наведене вище пояснення процесів, що відбуваються між пластинами конденсатора дозволяє зробити висновок, що струм буде існувати, навіть якщо поміняти знак потенціалів (облучаемая світлом пластина стає анодом). Як тільки потенціал досягне такого значення, що “вирвані” електрони з найбільшою енергією будуть повертатися назад на анод, не досягаючи катода, тоді струм в ланцюзі припиниться. Цей потенціал називається гальмівним. Він відмічений на попередньому малюнку символом U0.
Гальмуючий потенціал U0 не залежить від інтенсивності світла і збільшується при зростанні частоти фотонів.
