Фотоэлектрический эффект

1. Свет имеет двойственную, корпускулярно-волновую природу: с одной стороны, он обладает волновыми свойствами, обуславливающими явления интерференции, дифракции, поляризации, с другой стороны, представляет собой поток частиц – фотонов, обладающих нулевой массой покоя и движущихся со скоростью, равной скорости света в вакууме. Энергия W фотона и его импульс p для соответствующей ему электромагнитной волны с частотой и длиной волны в вакууме равны:

,

где h – постоянная Планка.

Фотон обладает спином .

2. Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам веществам. Для конденсированных систем (твердых и жидких тел) различают внешний фотоэффект, при котором поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела, и внутренний фотоэффект, при котором электроны, оставаясь в теле, изменяют в нем свое энергетическое состояние. В газах фотоэффект состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения (фотоионизация). Из закона сохранения энергии следует уравнение Эйнштейна или внешнего фотоэффекта:

где - работа выхода электронов, - потенциал выхода, - максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, - энергия фотонов.

Особым видом фотоэффекта является поглощение фотонов жестких гамма-лучей атомными ядрами, сопровождающееся вылетом из ядер составляющих их нуклонов (ядерный фотоэффект).

3. В кристаллических полупроводниках и диэлектриках помимо внешнего фотоэффекта наблюдается внутренний фотоэффект (фотопроводимость), заключающийся в увеличении электропроводности этих веществ за счет возрастания в них числа свободных носителей тока (электронов проводимости и дырок). При энергии фотона , где - энергия активации проводимости в беспримесных веществах (разность между энергиями на нижнем уровне зоны проводимости и верхнем уровне валентной зоны), может происходить переброс электрона из заполненной валентной зоны в зону проводимости. называется красной границей фотопроводимости.

4. Вентильный фотоэффект (фотоэффект в запирающем слое) состоит в возникновении электродвижущей силы вследствие внутреннего фотоэффекта вблизи поверхности контакта между металлом и полупроводником или двумя полупроводниками и типа. Такой контакт имеет одностороннюю проводимость, связанную с обеднением слоев полупроводников, прилегающих к поверхности контакта, носителями тока (электронами проводимости и дырками). Внутренний фотоэффект в полупроводниках вызывает нарушение равновесного распределения носителей тока в области контакта и приводит к изменению контактной разности потенциалов по сравнению с равновесной, т.е. к возникновению фотоэлектродвижущей силы (фото-э. д.с.). Величина фото-э. д.с., возникающая под действием монохроматического света, пропорциональна его интенсивности. Красная граница вентильного фотоэффекта определяется величиной . Вентильный фотоэффект в переходе представляет непосредственное преобразование энергии электромагнитного излучения в энергию электрического тока. Это явление используется в фотоэлектрических источниках тока (кремниевые, германиевые и другие фотоэлементы).