Фотоэффект

Фотоэффект, испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения (фотонов). Ф. был открыт в 1887 Г. Герцем. Первые фундаментальные исследования Ф, выполнены А. Г. Столетовым (1888). Он установил, что в возникновении фототока в цепи, содержащей металлические электроды и источник напряжения, существенную роль играет освещение отрицательного электрода и что сила фототока пропорциональна интенсивности света. Ф. Ленард (1899) доказал, что при освещении металлов из них испускаются электроны. Первое теоретическое объяснение законов Ф. дал А. Эйнштейн (1905). В дальнейшем теория Ф. была развита в наиболее последовательном виде И. Е. Таммом и С. П. Шубиным (1931). Большой вклад в экспериментальное исследование Ф. внесли работы А. Ф. Иоффе (1907), П. И. Лукирского и С. С. Прилежаева (1928).

Ф. = квантовое явление, его открытие и исследование сыграли важную роль в экспериментальном обосновании квантовой теории: только на её основе оказалось возможным объяснение закономерностей Ф. Свободный электрон не может поглотить фотон, т.к. при этом не могут быть одновременно соблюдены законы сохранения энергии и импульса. Ф. из атома, молекулы или конденсированной среды возможен из-за связи электрона с окружением. Эта связь характеризуется в атоме энергией ионизации, в конденсированной среде = работой выхода. Закон сохранения энергии при Ф. выражается соотношением Эйнштейна: , где E = кинетическая энергия фотоэлектрона, = энергия фотона, ?= Планка постоянная, E_i = энергия ионизации атома или работа выхода электрона из тела. При ?< E_i, Ф. невозможен.

Ф. может наблюдаться в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Первичным актом здесь является поглощение фотона атомом и ионизация с испусканием электрона. С высокой степенью точности можно считать, что вся энергия фотона за вычетом энергии ионизации передаётся испускаемому электрону. В конденсированных средах механизм поглощения фотонов зависит от их энергии. При , равных или не очень сильно (в десятки и сотни раз) превышающих работу выхода, излучение поглощается электронами проводимости (в металлах) или валентными электронами (в полупроводниках и диэлектриках), коллективизированными в твёрдом теле. В результате может наблюдаться фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) с граничной энергией фотонов, равной работе выхода, или фотоэффект внутренний (фотопроводимость и др. фотоэлектрические явления) с граничной энергией фотонов, равной ширине запрещенной зоны.

При энергиях фотонов , во много раз превышающих энергию межатомных связей в конденсированной среде (гамма-излучение), фотоэлектроны могут вырываться из "глубоких" оболочек атома. Влияние среды на первичный акт Ф. в этом случае пренебрежимо мало по сравнению с энергией связи электрона в атоме и Ф. происходит так же, как на изолированных атомах. Эффективное сечение Ф. s_ф сначала растет с w, а затем, когда становится больше энергии связи электронов самых глубоких оболочек атома, уменьшается. Такая зависимость s_ф от w качественно объясняется тем, что чем больше по сравнению с E_i, тем пренебрежимее связь электрона с атомом, а для свободного электрона Ф. невозможен. Вследствие того, что электроны К-оболочки наиболее сильно связаны в атоме и эта связь возрастает с атомным номером Z, s_ф имеет наибольшее значение для К-электронов и быстро увеличивается при переходе к тяжёлым элементам (~ Z⁵). При порядка атомных энергий связи Ф. является преобладающим механизмом поглощения гамма-излучения атомами, при более высоких энергиях фотонов его роль становится менее существенной по сравнению с др. механизмами: Комптона эффектом, рождением электронно-позитронных пар.
Ядерным Ф. называется поглощение g-кванта атомным ядром, сопровождающееся его перестройкой (см. Фотоядерные реакции).
Ф. широко используется в исследованиях строения вещества = атомов, атомных ядер, твёрдых тел (см. Фотоэлектрические явления), а также в фотоэлектронных приборах.
Лит.: Hertz Н., Uber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung, "Annalen der Physik und Chemie", 1887, Bd 31; Столетов А. Г., Избр. соч., М. = Л., 1950; Эйнштейн А., Собр. научн. тр., т. 3, М., 1966; Tamm Ig., Scliubin S., Zur Theorie des Photoeffektes an Metalien, "Zeitschrift fur Physik", 1931, Bd 68; Лукирский П. И., О фотоэффекте, Л. = М., 1933; Стародубцев С. В., Романов А. М., Взаимодействие гамма-излучения с веществом, ч. 1, Таш., 1964.
? Т. М. Лифшиц.