Вплив світла на речовину зводиться до передачі цієї речовини енергії, яку переносять пучком, в результаті чого можуть виникнути різні ефекти. Одним з них є фотоелектричний ефект (фотоефект).
В даний час розрізняють три види фотоефекту: зовнішній, внутрішній і фотогальванічні (фотоефект в замикаючому шарі, або вентильний фотоефект). До областей застосування фотоефекту відносяться:
1) фотоелектронна автоматика і телемеханіка, в якій різні поєднання фотоелектричних приладів і підсилювачів, реагуючи на світлові сигнали, надає дію на системи управління і регулювання різних енергетичних, транспортних і промислових установок;
2) вимірювання сили світла і освітленості (люксметри), а також температури (пірометри);
3) звукове кіно, телебачення, оптична телеграфія, бачення в темряві за допомогою інфрачервоних променів і т.д.
Зовнішній фотоефект полягає в випущенні поверхнею металів електронів у зовнішній простір (вакуум або газ) під дією падаючого на цю поверхню потоку світлової енергії.
Досвідченим шляхом було встановлено три закони зовнішнього фотоефекту:
1. При фіксованій частоті випромінювання число електронів (фотоелектронів), що вириваються з поверхні металу за одиницю часу, прямо пропорційно щільності світлового потоку.
2. Максимальна початкова кінетична енергія фотоелектронів визначається частотою падаючого світла і не залежить від його інтенсивності.
3. Для кожного металу існує червона межа фотоефекту, т. Е. Максимальна довжина хвилі # 955; 0 (мінімальна частота # 957; 0). при якій ще можливий фотоефект, незалежно від щільності світлового потоку і тривалості опромінення.
Для пояснення законів фотоефекту Ейнштейн припустив, що потік енергії світлової хвилі не є безперервним, а являє собою потік дискретних порцій енергії, званих квантами або фотонами.
Енергія фотона, що відповідає світлу з частотою # 957 ;, дорівнює:
де h = 6,62 · 10 -34 Дж × с - постійна Планка.
Фотон, зіткнувшись з електроном в металі, передає йому всю свою вільну енергію. Якщо ця енергія досить велика, то електрон може подолати утримують його в металі сили і вийти з металу. У цьому процесі дотримується закон збереження енергії, який можна записати у вигляді:
де - максимальна кінетична енергія вилетів електрона, Aвих - робота виходу (робота, здійснена електроном для подолання сил, що утримують його в обсязі металу). Співвідношення (2) називається рівнянням Ейнштейна для фотоефекту. Воно повністю пояснює всі особливості зовнішнього фотоефекту.
З формули (2) випливає, що в разі, коли робота виходу Aвих перевищує енергію кванта hn, електрон не зможе вийти за межі металу. Отже, для виникнення фотоефекту необхідне виконання умови: hn ≥ Aвих. Цим пояснюється наявність червоної межі, тобто максимальної довжини хвилі # 955; 0 або мінімальної частоти # 957; 0 = Aвих / h, при якій ще можливий фотоефект. Так як # 957; 0 = c / # 955; 0. то
де с = 3 × 10 8 м / с - швидкість світла у вакуумі.
Зовнішній фотоефект використовується в вакуумних фотоелементах (рис.1 а). Внутрішня поверхня балона покрита тонким шаром металу. Цей шар займає приблизно 50% всієї внутрішньої поверхні балона і є катодом (фотокатодом). Проти нього залишають прозоре вікно зазвичай з кварцового скла, через яке на катод потрапляє світло. Анод має форму рамки і розташований так, щоб не перешкоджати попаданню світла на катод. Схема включення фотоелемента зображена на рис.1б.
Мал. 1а Рис. 1б Рис. 2
Між катодом До і анодом А створюється регульована потенціометром R різниця потенціалів - напруга U, що вимірюється вольтметром V. Сила струму I, що проходить між анодом і катодом, визначається миллиамперметром (mA). При висвітленні фотоелемента починається емісія електронів з катода і в ланцюзі виникає струм, який отримав назву фотоструму. На рис.2 показана вольт-амперна характеристика вакуумного фотоелемента. Як видно з графіка, спочатку фототок лінійно збільшується при збільшенні анодної напруги, так як при цьому все більшу кількість вилетіли з катода електронів досягає анода. При певній напрузі на аноді все фотоелектрони потрапляють на анод і при подальшому збільшенні напруги сила струму не змінюється. Цей струм називається струмом насичення. Сила струму насичення Iн прямо пропорційна падаючого світлового потоку Ф:
де # 947; - чутливість фотоелемента.
Розрізняють інтегральну і спектральну чутливості фотоелемента. Інтегральна чутливість характеризує здатність фотоелемента реагувати на вплив світлового потоку складного випромінювання. Спектральна чутливість визначає силу фотоструму при впливі монохроматичного світлового потоку (світла з одного довжиною хвилі). Чутливість вакуумних фотоелементів досягає 100 мкА / лм.
Зовнішній фотоефект знаходить застосування в фотоелектронних помножувачах (ФЕУ) і електронно-оптичних перетворювачах (ЕОП). ФЕУ застосовують для вимірювання світлових потоків малої інтенсивності. З їх допомогою можна визначити слабку біолюмінесценцію. ЕОП застосовують в медицині для посилення яскравості рентгенівського зображення, в термографії - для перетворення інфрачервоного випромінювання в видиме.
Внутрішнім фотоефектом називається зміна електричної провідності деяких кристалічних тіл (напівпровідників) внаслідок появи під дією потоку світлової енергії всередині всіх цих тіл додаткових електронів провідності.
На явищі збільшення провідності напівпровідників при освітленні їх світлом заснована дія фоторезисторов. Фоторезистори виготовляють на основі сульфіду кадмію, сірчистого свинцю і ін. Світлочутливі елементи поміщають в пластмасовий або металевий корпус. Фоторезистори мають значно більшу чутливість, ніж фотоелементи з зовнішнім фотоефектом. Значення чутливості їх може досягати величини порядку 1 А / лм. Однак з підвищенням чутливості зростає інерційність фоторезисторов (тобто фотострум не відразу досягає свого значення, яке відповідає даному світловому потоку, а лише через деякий проміжок часу), що обмежує можливість їх використання при роботі зі змінними світловими потоками високої частоти. Фоторезистори застосовуються в фоторелейних установках, а також в фотометрической апаратурі для вимірювання світлових характеристик.
Фотогальванічний (вентильний) фотоефект - це виникнення струму на кордоні між напівпровідником і металом, коли електрони покидають межі тіла, проходячи через поверхню розділу в інше тверде тіло (напівпровідник) або рідина (електроліт) під дією світлової енергії без участі сторонньої електрорушійної сили.
Типова конструкція вентильних напівпровідникових фотоелементів, які виготовляються на основі міді, селену, германію, кремнію, сірчистого срібла і ін. Приведена на рис.3. Платівка 1, наприклад, з чистої міді шляхом нагрівання її в атмосфері кисню покривається тонкою плівкою 3 оксиду міді (I) (Cu2 O). Зверху наносять шар 4 будь-якого металу, прозорого для світла (наприклад, золото). При опроміненні світлом шару оксиду міді (I) в ній, завдяки внутрішньому фотоефекту, виникають вільні електрони. На кордоні між оксидом міді (I) і мідною пластинкою утворюється дуже тонкий (10 -5 - 10 -6 см) шар 2, що пропускає електрони тільки від Cu2 O до Cu і перешкоджає їх зворотного руху. В результаті мідь заряджається негативно, а оксид міді (I) - позитивно.
Наявність такого вентильного, або замикаючого, шару, на кордоні якого під дією світла з'являється додаткова різниця потенціалів (фотоелектродвіжущая сила), обумовлює випрямляє дію пристрою і спостерігається в багатьох напівпровідниках. Звідси фотогальванічний фотоефект часто називають вентильним, або фотоефектом в замикаючому шарі. Якщо замкнути ланцюг, що містить фотоелемент, то в ній виникне струм.
Перевага вентильних фотоелементів полягає в тому, що для їх роботи не потрібно джерело живлення, так як в них самих під дією світла генерується електрорушійна сила.
Інтегральна чутливість вентильних фотоелементів значно перевищує чутливість вакуумних фотоелементів. Вона може досягати декількох тисяч мікроампер на люмен. Вентильні фотоелементи використовуються для сонячних батарей, які застосовуються на космічних кораблях для живлення бортової апаратури, а також в фотометрії для вимірювання світлового потоку і освітленості, що використовується в санітарно-гігієнічної практиці. (Фотометрія - розділ оптики, що займається вимірюванням світлових потоків і величин, пов'язаних з такими потоками.)