Зовнішнім фотоефектом називається явище випускання електронів речовиною під дією електромагнітного ізлученія.Внутреннім фотоефектом називається явище поява вільних електронів в речовині (напівпровідниках) під дією електромагнітного випромінювання, пов'язані (або валентні) електрони стають вільними (в межах речовини). В результаті зменшується опір речовини.
Закони зовнішнього фотоефекту:
1.При незмінному спектральному складі випромінювання сила струму насичення (або число фотоелектронів, що випускаються катодом за одиницю часу) прямо пропорційна падаючому на фотокатод потоку випромінювання (інтенсивності випромінювання).
2. Для даного фотокатода максимальна початкова швидкість фотоелектронів, а, отже, їх максимальна кінетична енергія визначається частотою випромінювання і не залежить від його інтенсивності.
3. Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота випромінювання # 957; 0, при якій ще можливий зовнішній фотоефект. Відзначимо, що значення # 957; 0 залежить від матеріалу фотокатода і стану його поверхні.
Пояснення зовнішнього фотоефекту з точки зору хвильової теорії світла суперечило експериментальними даними. Згідно хвильової теорії під дією поля електромагнітної хвилі в металі виникають вимушені коливання електронів в атомі з амплітудою тим більшою, чим більше амплітуда вектора напруженості електричного поля хвилі Eo (і, отже, інтенсивність світла I
Eo 2). В результаті цього електрони можуть залишати метал і виходити з нього, тобто може спостерігатися зовнішній фотоефект. Тим вище повинна бути і швидкість вилетіли електронів, тобто кінетична енергія фотоелектронів повинна залежати від інтенсивності випромінювання, що суперечить дослідним даним. За цією теорією випромінювання будь-якої частоти, але досить великої інтенсивності має виривати електрони з металу, тобто червоною кордону фотоефекту не повинно бути.
А. Ейнштейн в 1905 р показав, що явище фотоефекту і його закономірності можуть бути пояснені на основі квантової теорії М. Планка. Згідно Ейнштейну, світло (випромінювання) частотою # 957; не тільки випускається, як це припускав М. Планк, а й поширюється в просторі і поглинається речовиною окремими порціями (квантами). енергія яких
де h = 6,626176 * 10 -34 Дж × с - постійна Планка,
Пізніше кванти випромінювання отримали назву фотонів. За Ейнштейну, кожен квант поглинається тільки одним електроном. Якщо енергія кванта більше ніж робота виходу електрона з металу, тобто h # 957;> = Авих, то електрон може покинути поверхню металу. Залишок енергії кванта йде на створення кінетичної енергії електрона, який покинув речовина. Якщо електрон звільняється випромінюванням не у самій поверхні, а на деякій глибині, то частина отриманої енергії може бути втрачена внаслідок випадкових зіткнень електрона в речовині, і його кінетична енергія виявиться меншою. Отже, енергія падаючого на речовину кванта випромінювання витрачається на вчинення електроном роботи виходу і повідомлення вилетів фотоелектронна кінетичної енергії.
Закон збереження енергії для такого процесу буде виражатися рівністю
Це рівняння називається рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.
З рівняння Ейнштейна безпосередньо випливає, що максимальна кінетична енергія або швидкість фотоелектронів залежить від частоти випромінювання. Зі зменшенням частоти випромінювання кінетична енергія зменшується і при деякій частоті може стати рівною нулю. Рівняння Ейнштейна в цьому випадку буде мати вигляд
частота # 957; 0. що відповідає цьому співвідношенню матиме мінімальне значення і є червоною кордоном фотоефекту. З останнього ясно, що червона межа фотоефекту визначається роботою виходу електрона і залежить від хімічної природи речовини і стану його поверхні. Довжина хвилі, відповідна червоною кордоні фотоефекту, може бути розрахована за формулою. При h # 957;<Авых фотоэффект прекращается. Число высвобождаемых вследствие фотоэффекта электронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность вещества квантов излучения, а, следовательно, потоку излучения Ф.
З винаходом лазерів були отримані великі потужності випромінювання, в цьому випадку один електрон може поглинути два і більше (N) фотонів (N = 2 ... 7). Таке явище називається Багатофотонні (нелінійним) фотоефектом. Рівняння Ейнштейна для багатофотонного фотоефекту має вигляд
В цьому випадку червона межа фотоефекту може зміщуватися в бік більш довгих хвиль.
Характер залежності фотоструму I від різниці потенціалів між анодом і катодом U (вольт - амперна характеристика або ВАХ) при постійному потоці випромінювання на фотокатод монохроматичноговипромінювання наведено на Рис. 1.
Існування фотоструму при напрузі U = 0 пояснюється тим, що фотоелектрони, що випускаються катодом, мають деяку початкову швидкість і, відповідно, кінетичну енергію, а, отже, можуть досягати анода без зовнішнього електричного поля. У міру збільшення значення U (в разі позитивного потенціалу на аноді) фототок поступово зростає, тобто все більше число фотоелектронів досягає анода. Пологий характер цієї ділянки вольтамперної характеристики свідчить про те, що електрони вилітають з катода з різними швидкостями. Максимальне значення фотоструму, зване струмом насичення Iнас. досягається при такому значенні U, при якому всі електрони, що випускаються катодом, потрапляють на анод. Значення Iнас. визначається числом фотоелектронів, що випускаються катодом за 1с і залежить від величини потоку випромінювання, падаючого на фотокатод.
Якщо анод має негативний потенціал, то утворюється електричне поле гальмує рух фотоелектронів. Це призводить до зменшення числа електронів, що досягають анода, а, отже, і зменшення фотоструму. Мінімальне значення напруги негативної полярності, при якому жоден з електронів, навіть володіє при вильоті з катода максимальною швидкістю, не може досягти анода, тобто фототок стає рівним нулю, називається затримують напругою Uo.
Значення затримує напруги пов'язане з початкової максимальної кінетичної енергією електронів співвідношенням
З огляду на це, що рівняння Ейнштейна можна записати в також у вигляді
Якщо міняти величину падаючого на катод потоку випромінювання при одному і тому ж спектральному складі, вольтамперні характеристики матимуть вигляд, наведений на Рис. 2.
Якщо при незмінній величині потоку випромінювання змінювати його спектральний склад, тобто частоту випромінювання, то вольтамперні характеристики будуть змінюватися, як показано на Рис.3.