Ф. используют в автоматике и телемеханике, фотометрии, измерительной технике, метрологии, при оптических, астрофизических, космических исследованиях, в кино- и фототехнике, факсимильной связи и т.д.; перспективно использование полупроводниковых Ф. в системах энергоснабжения космических аппаратов, морской и речной навигационной аппаратуре, устройствах питания радиостанций и др.
Лит.: Рывкин С. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963; Фотоэлектронные приборы, М., 1965; Васильев А. М., Ландсман А. П., Полупроводниковые фотопреобразователи М 1971.
М. М. Колтун.
Схематическое изображение фотоэлемента с внешним (а) и внутренним (б) фотоэффектом; К — фотокатод; А — анод; Ф — световой поток; n и p — области полупроводника с донорной и акцепторной примесями; Е — источник постоянного тока, служащий для создания в пространстве между К и А электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны; Rн — нагрузка; пунктирной линией обозначен р — n-переход.
Фотоэффект
Фотоэффе'кт, 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,
Ei – энергия ионизации атома или работа выхода электрона из тела. При
<
Ei , 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
Ei , 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.
Фотоэффект внешний
Фотоэффе'кт вне'шний, то же, что фотоэлектронная эмиссия .
Фотоэффект внутренний
Фотоэффе'кт вну'тренний, перераспределение электронов по энергетическим состояниям в конденсированной среде, происходящее при поглощении электромагнитного излучения. В неметаллических телах (полупроводниках и диэлектриках ) Ф. в. проявляется в изменении электропроводности (см. Фотопроводимость ), диэлектрической проницаемости среды (см. Фотодиэлектрический эффект ) или в возникновении на ее границах электродвижущей силы (см. Фотоэдс ). В металлах из-за их высокой электропроводности Ф. в. неощутим. Ф. в. используется для изучения электрических свойств веществ и неравновесных электронных процессов в них. Исследование Ф. в. позволяет определять ширину запрещенной зоны веществ, времена жизни электронов проводимости и дырок, механизмы и параметры процессов рекомбинации неравновесных носителей заряда, свойства примесей и др. Ф. в. используется в фотоэлектронных приборах (см. Фоторезистор , Фотоэлемент , Фотодиод , Фототранзистор ) и в устройствах для преобразования солнечной энергии в электрическую (см. Солнечная батарея ).
