Нам известны внутренний, внешний и ядерный фотоэффекты. Принято считать, что:
- внутренний фотоэффект – перераспределение электронов по энергетическим состояниям в конденсированной среде (твёрдое тело, жидкость) под действием электромагнитного излучения. При этом, изменяется электропроводность среды или на её границах возникает электродвидущая сила (ЭДС);
- внешний фотоэффект или фотоэлектронная эмиссия – вырывание электронов из вещества под действием электромагнитного излучения;
- ядерный фотоэффект – поглощение атомными ядрами гамма-квантов с испусканием протонов, нейтронов или более сложных частиц (полуволн). Для вырывания из атомного ядра протона или нейтрона (нуклонов) энергия гамма-кванта должна превышать энергию связи нуклона в ядре.
Явление внутреннего фотоэффекта было открыто в 1839 году Александром Беккерелем (1820-1891) в электролите, а в 1873 году Уиллоуби Смит (1828-1891) обнаружил, что селен является фотопроводящим.
Справка: Фотопроводимость – явление изменения электропроводности вещества при поглощении электромагнитного излучения.
Фотопроводимость свойственна полупроводникам. При поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Оба носителя заряда при приложении к полупроводнику напряжения создают электрический ток.
Явление фотопроводимости используется в датчиках света, в частности в фоторезисторах, в приборах ночного видения. Увеличение проводимости при освещении используется также в ксерографии, при которой электрические заряды стекают с засвеченных мест предварительно наэлектризованной поверхности полупроводникового барабана.
Внешний фотоэффект впервые обнаружил в 1887 году Генрих Герц (1857-1894). Проводя опыты с резонатором, он заметил, что проскакивание искры между цинковыми шариками разрядника значительно облегчается, если один из них осветить ультрафиолетовым светом. Однако Герц тогда был поглощён исследованием электромагнитных волн и не принял данный факт во внимание.
И только в 1888 году русский физик Александр Столетов (1839-1896) тщательно исследовал явление внешнего фотоэффекта и сформулировал его основные законы. Поэтому внешний фотоэффект мы называем эффектом Столетова.
В своих знаменитых экспериментах Александр Григорьевич использовал фотоэлемент собственной конструкции – так называемый конденсатор Столетова (изображён на рис. 1).
К электродам К – катод и А – анод прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Катод (отрицательный электрод) через кварцевое окошко освещался ультрафиолетовым светом определённой длины волны λ. При неизменном световом потоке снималась зависимость фототока I от приложенного напряжения. На рис. 2 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.
Результаты опытов Столетов изложил в своих лаконичных тезисах. Их всего 12, но мы здесь выделим 4 основных:
1. «Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд. Это действие лучей есть строго униполярное; положительный заряд лучами не уносится».
Чтобы понять физический смысл первого тезиса, обратимся к Природе электрического заряда. Нам известно, что объёмная плотность потенциальной энергии поля (проще – давление поля) у катода (отрицательный заряд) больше, чем у анода (положительный заряд), а приходящее к катоду электромагнитное излучение ещё больше повышает объёмную плотность энергии поля вокруг него. Разность давлений поля между катодом и анодом увеличивается.
Справка: Существование светового давления предсказал Максвелл (1831-1879) на основании свойств электромагнитного поля, а экспериментально давление света было установлено в 1899 Лебедевым (1866-1912).
В результате начинается переток энергии от катода к аноду. Стоячие волны между электродами превращаются в бегущие и мы наблюдаем в колбе электрический ток или, как пишет Александр Григорьевич «перенос заряда с поверхности отрицательно заряженного тела на положительно заряженное».
Если же мы будем облучать анод, то рост объёмной энергии поля вокруг него приведёт к уменьшению разности давлений поля между катодом и анодом. В этом случае электрический ток в колбе не возможен, что и отмечено в первом тезисе Столетова.
2. Второй тезис у Столетова звучит следующим образом: «Для разряда лучами необходимо, чтобы лучи поглощались поверхностью тела. Чем больше поглощение активных лучей, тем поверхность чувствительнее к их разряжающему действию».
Второй тезис указывает нам на прямопропорциональную зависимость фототока от интенсивности падающего на катод светового потока.
В том же 1898 году Томсон (1856-1940) экспериментально установил, что движение электрического заряда, выходящего из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами, которые Томсон тогда называл частицами). Поэтому увеличение фототока с ростом освещённости принято понимать как увеличение числа выбитых электронов с повышением интенсивности падающего на катод светового потока.
При этом, Столетов добавляет: «С возрастанием плотности заряда (читай – напряжённости электрического поля) до некоторого предела разряжающее действие растет быстрее, чем плотность, а потом медленнее и медленнее».
И действительно дальнейшее повышение разности потенциалов не вызовет никакого увеличения фототока; очевидно, уже используются все выбрасываемые фотоэлектроны. Этот предел мы называем током насыщения.
3. Третий тезис Столетов сформулировал так: «Разряжающим действием обладают – если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими – лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре (λ<295×10^-6 мм). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие».
Заметьте, если во втором тезисе мы говорили об интенсивности светового потока, то есть о количестве фотонов, то здесь мы уже говорим об энергии этих фотонов (точнее – о частоте их колебаний или о длине волны). Это значит, что не всякое электромагнитное излучение, падающее на катод может вызвать фототок. Это возможно только для излучения с длиной волны, меньше некоторой заданной величины, что фактически означало существование красной границы фотоэффекта.
Здесь напрашивается явный вывод, что фотоэффект наступает при резонансе частоты падающего на катод светового потока с частотой собственных колебаний выбиваемых из катода электронов.
4. И, наконец, четвёртый тезис в формулировке Столетова указывает на то, что «Действие обнаруживается даже при ничтожных отрицательных плотностях заряда; величина его зависит от этой плотности; с возрастанием отрицательной плотности до некоторого предела оно прекращается».
Этот тезис убедительно подтверждает наличие «запирающего потенциала». Из приведенной на рисунке 2 зависимости I(U) вытекает, что при U = 0 ток не является равным нулю, а для того, чтобы ток превратился в ноль, нужно подать некоторое напряжение с обратной полярностью (к освещенному электроду — положительный, к неосвещенному — отрицательный). Это напряжение определяет максимальную кинетическую энергию вылетающих электронов и называется задерживающим напряжением Uз:
mv^2/2 = еUз.
Тщательные измерения показали, что запирающее напряжение линейно возрастает с увеличением частоты ν падающих фотонов (рис. 3). Причём их энергия определяется, как произведение постоянной Планка (введена им в 1900 году) и частоты фотона: hν.
Но, если это так, то логика далее подсказывала, что энергия каждого фотоэлектрона должна зависеть только от энергии поглощенного фотона, то есть – от его частоты (длины волны). Александр Григорьевич и это подтвердил экспериментально, установив, что падающая электромагнитная волна ультрафиолетового света вызывает вынужденные колебания электронов в металле в резонансе с частотой падающей волны.
Дополнительные исследования фотоэффекта Ленардом (1862-1947) в 1900-1902 годах показали, что, энергия (значит и частота) вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.
Физический смысл фотоэффекта, который известен как закон Столетова, в настоящее время описывается так:
«Кинетическая энергия (частота), с какой излучённая полуволна (электрон) покидает металл, заимствуется у падающей полуволны (фотона), а количество вылетающих электронов пропорционально интенсивности падающего света, то есть числу поглощенных фотонов».
Ясно, что электрон не может просто поглотить фотон без каких-либо последствий, ибо при этом должны быть соблюдены законы сохранения энергии и импульса. Поэтому энергия фотона расходуется на разрыв связей электрона со своим окружением. Эта связь в атоме, к примеру, характеризуется энергией отрыва электрона от атома (энергия ионизации), а в конденсированной среде (жидкость или твердое тело) – ещё и работой выхода за пределы поверхности данной среды.
Здесь Столетов рассуждал примерно так: чтобы забросить мяч на крышу дома, надо передать ему такую энергию, чтобы он мог преодолеть в своём движении не только сопротивление воздуха, но и напряжённость гравитационного поля.
По этой аналогии можно сделать вывод, что кинетическая энергия поглощённой полуволны (энергия фотона - hν) во внешнем фотоэффекте расходуется не только на работу выхода А для преодоления сопротивления окружающей среды, но и на придание кинетической энергии излучённой полуволне (электрону - eV) для преодоления напряжённости электрического поля.
Эта аналогия следует из физического смысла фотоэффекта в редакции Столетова. Но любой физический смысл можно записать в математических символах. Так появилось уравнение:
hν = А + eV,
где: h = 1,0545727*10^-34 Дж*с – постоянная Планка;
ν – частота приходящего излучения, 1/с;
е = 1,6021773*10^-19 Кл – квант электрического заряда, Кл;
еV = mv^2/2 – кинетическая энергия излучённой полуволны, называемой нами электроном.
Это уравнение теперь называется уравнением Эйнштейна, за что он и получил Нобелевскую премию, ибо шведы так и не поняли, что в левой части этого уравнения обозначена энергия ОДНОГО фотона, а в правой - энергия ионизации и кинетическая энергия тоже ОДНОГО, но уже электрона. То есть, у нашего «гения» получается, что один фотон выбивает один электрон.
А у физиков количественной характеристикой фотоэлектронной эмиссии является число вылетевших электронов (Y), приходящееся на 1 фотон излучения, падающего на поверхность тела. Величина Y зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энергии фотонов.
Шведы и наш «гений» будто забыли, что Столетов указывал на пропорциональность количества вылетающих электронов от интенсивности падающего света, но это вовсе не означает равенство вылетевших электронов с числом поглощенных фотонов.
Не менее важным является и зависимость фототока от давления газа между электродами, которую Столетов досконально изучил и установил, что отношение напряжённости электрического поля к давлению газа при максимальном токе (токе насыщения) есть величина постоянная (константа Столетова).
А это не менее важно, чем сам фотоэффект, ибо подтверждает тот факт, что давление газа, точнее – объёмная плотность энергии в разделяющей электроды среде, является дополнительным препятствием для фототока, который появляется при определённой разности давлений поля между катодом и анодом.
Мы помним, что электрический заряд (Кл) определяет объёмную плотность энергии поля в зоне этого заряда. Следовательно, разность потенциалов (Дж/Кл) между электродами определяет разность давления поля в этой области. И опытом установлено: на объёмную плотность энергии поля накладывается и объёмная плотность энергии газа, разделяющего катод и анод. Но этот факт для математиков остался «за скобками».
И только теперь мы знаем, что объёмная плотность энергии (давление) является очень существенным параметром в Физике и объясняет очень многие явления в Природе. Это и Природа гравитации, и Природа электрического заряда, и многое другое…