Фотоэлектрический эффект и его законы. Уравнение фотоэффекта

Фотоэлектрический эффект - это вылет электронов из вещества под действием света (преимущественно ультрафиолетового), иначе говоря, это - фотоэлектронная эмиссия. Открыл фотоэлектрический эффект в 1887 г. Генрих Герц, заметив, что для искрового разряда между ярко освещенными цинковыми шариками нужна меньшая разность потенциалов, чем когда шарики не освещены.
Исследователи природы фотоэффекта Ф. Ленард, О. Г. Столетов, В. Гальвакс выявили следующие закономерности (законы фотоэффекта):
1) Увеличение энергии света неизменной не увеличивает скорости вылетающего из вещества электронов. Скорость увеличивается при увеличении частоты (а следовательно, уменьшении длины волны) света.
2) Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. такая длина волны света, превышение которой приводит к исчезновению фотоэффекта.
3) Увеличение энергии света неизменной увеличивает силу фототока насыщения на вольт-амперной характеристике фотоэффекта (открыл О. Г. Столетов).

Пользуясь представлениями волновой теории света, физике пытались связать вылет электрона из металла с вынужденными колебаниями электрона в переменном электрическом поле световой волны. Но опытные факты не находили объяснения в рамках этой теории. В частности, непонятным было отсутствие зависимости v от W света (ведь увеличение W должно увеличивать амплитуду колебаний электрона и способствовать его вылета из вещества с большей v).
Для объяснения законов фотоэффекта Эйнштейн предложил уравнение фото-эффекта:
,
где - работа выхода (т.е. работа, которая должна быть осуществлена для удаления электрона из вещества в вакуум или воздух), m - масса электрона.
Пучок света рассматривалось Эйнштейном как совокупность N фотонов. При таком подходе можно объяснить все закономерности фотоэффекта.
1) Энергия пучка монохроматического () света , где N - число фотонов в пучке. На современном этапе в лазерных пучках света может реализоваться багатофотонний фотоэффект. Если электрон взаимодействует только с одним фотоном из пучка, то увеличение N при неизменной величины не влияет на . С увеличением возрастает , а следовательно и .
2) Если , то энергия фотона оказывается меньше, чем .
3) По закону Столетову: увеличение энергии пучка света данной происходит за счет увеличения числа фотонов в пучке, что приводит к увеличению числа фотоэлектронов (движение которых и создает фототок). Вследствие этого наблюдается смещение участка насыщения на вольт-амперной характеристике в сторону больших значений силы тока И.
Сферы применения фотоэффекта: в различных фотореле (для включения и выключения освещения улиц, света маяков и бакенов, двигателей станков); в технике записи и воспроизведения звука в кино; в авиационной и космической технике (в частности - в солнечных батареях), на транспорте (применение фотоэффекта в пропускных механизмах метрополитена).