Явление фотоэлектронной эмиссии (внешнего фотоэффекта) было исследовано в конце девятнадцатого века нашим соотечественником А. Г. Столетовым. Оно заключается в том, что под воздействием лучистой энергии видимого света либо инфракрасных, ультрафиолетовых или рентгеновских лучей электроны приобретают энергию, достаточную для совершения работы выхода из металла.
Согласно квантовой теории, лучистая энергия излучается и поглощается отдельными порциями — квантами. Кванты лучистой энергии, поглощаясь в веществе катода, изменяют энергетическое состояние электронов в атомах. Вследствие этого часть электронов покидает поверхность катода.
Если вблизи фотокатода поместить анод и подать на него положительный потенциал, то при замкнутой электрической цепи стрелка гальванометра укажет на наличие в цепи электрического тока (фототока). Принцип действия фотоэлемента иллюстрирует рис. 61.
Первый закон фотоэффекта (закон Столетова) устанавливает, что величина фототока прямо пропорциональна световому потоку, падающему на поверхность катода:
Iф = КФ. (77)
где Iф — фототок, мка; Ф — световой поток, падающий на фотокатод, лм; К — чувствительность фотоэлемента, мка/лм.
Энергия кванта равна
W = hv, (78)
где h — постоянная Планка, равная 6,24·10-27 эрг/сек; v — частота светового излучения, равная c/λ; с — скорость распространения света; λ — длина волны.
В 1905 г. Эйнштейн, основываясь на квантовой теории, вывел уравнение, которое получило название второго закона фотоэффекта:
(79)
Здесь mυ20/2 энергия электрона, покинувшего металл с начальной скоростью υ0; m — масса электрона; еφ0 — энергия работы выхода; hv — энергия кванта.
Как видно из формулы (79), скорость фотоэлектронов не зависит от степени освещенности фотокатода, а определяется только частотой светового излучения. Кроме того, для фотокатода существует граничная минимальная частота лучистого потока, способного вызвать фотоэмиссию электронов.
При граничной частоте vгр энергия фотоэлектронов, покидающих поверхность металла, равна нулю. Тогда уравнение (79) принимает вид
(80)
Лучистый поток, имеющий частоту v<vгр, не вызовет фотоэмиссии электронов, так как энергия кванта в этом случае недостаточна для совершения работы выхода.
По принципу действия фотоэлементы можно разделить на три основные группы:
- Фотоэлементы с внешним фотоэффектом, в основу действия которых положен выход электронов с поверхности металла иод действием света.
- Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, в основу действия которых положено изменение проводимости вещества под действием света фотосопротивления или фоторезисторы).
- Фотоэлементы с запирающим слоем, в основу действия которых положено возбуждение э.д.с. под действием света.
Рис. 61. Схема, иллюстрирующая принцип действия фотоэлемента.
