Фотоефект

Фотоефе́кт — явище «вибивання» світлом електронів із речовини. Це повне або часткове вивільнення електронів від зв’язків з ядрами атомів речовини внаслідок дії на неї електромагнітного проміння (світла, рентгенівського чи гамма-променів).

Розрізняють: зовнішній фотоефект — вибивання електронів під дією світла (фотоелектронна емісія), гамма-випромінювання тощо; внутрішній фотоефект — збільшення електропровідності напівпровідників або діелектриків під дією світла (фотопровідність); вентильний фотоефект — збудження світлом електрорушійної сили на межі між металом і напівпровідником або між різнорідними напівпровідниками (р-n перехід).

Фотоефект застосовується в ряді аналізаторів речовини. Явище фотоефекту покладено в основу дії фотоелементів.

Історія дослідження фотоефекту

Вперше прямий вплив світла на електрику виявив німецький фізик Генріх Герц під час дослідів з електроіскровими вібраторами. Герц встановив, що заряджений провідник, освітлений ультрафіолетовим промінням, швидко втрачає свій заряд, а електрична іскра виникає в іскровому проміжку при меншій різниці потенціалів. Помічене явище було описане Герцом в його статтях 1887—1888 років, але залишилося без пояснення, оскільки фізичну природу його він не знав. Не зуміли правильно пояснити дію світла на заряди і німецький фізик Гальвакс, італійський фізик Рігі. Англійський фізик Лодж, який, демонстрував в 1894 році досліди Герца в своїй знаменитій лекції «Творіння Герца», лише припустив хімічну природу явища. І це недивно, оскільки електрон буде відкритий Джозефом Джоном Томсоном лише в 1897 році, а без згадки про електрон пояснити фотоефект неможливо.

Проте 26 лютого 1888 року російський учений Олександр Григорович Столєтов (1839—1896) здійснив дослід, що наочно продемонстрував зовнішній фотоефект і показав істинну природу та характер впливу світла на електрику. Перші досліди зі світлом  Столєтов проводив зі звичним електроскопом. Освітлюючи електричним дуговим розрядом цинкову пластину, заряджену негативно і сполучену з електроскопом, він виявив, що заряд швидко зникав, тоді як позитивний заряд не знищувався.

Припустімо, що при опроміненні світлом з поверхні вилітають електрони. Тоді при освітленні негативної цинкової пластинки електрони вилітають і ще додатково відштовхуються електричним полем пластинки. Тому негативний заряд швидко зникає. Інша річ із позитивним зарядом. Якщо електрон вилетів, то його, з одного боку, притягує електричне поле пластинки, з іншого, його виліт не зменшує, а збільшує позитивний заряд пластинки.

Столєтов назвав відкритий ефект активно-електричним розрядом.

Електронна природа фотоефекту була показана в 1899 році Дж. Дж. Томсоном і в 1900 році Ленардом.

Для постановки точних дослідів Столєтов створив експериментальний прилад, що став прообразом сучасних фотоелементів. Прилад складався з двох плоскопаралельних дисків, один з яких був сітчастий і пропускав світлове випромінювання.

До дисків підводилася напруга від 0 до 250 В, причому до суцільного диска підключався негативний полюс батареї. При освітленні суцільного диска ультрафіолетовим світлом увімкнений у коло чутливий гальванометр відзначав протікання струму, незважаючи на наявність повітря між дисками. Продовжуючи досліди, Столєтов встановив залежність фотоструму від величини напруги батареї та інтенсивності світлового пучка. Подальші роботи привели до створення першого у світі фотоелемента, що був скляним балоном з кварцовим вікном для пропускання ультрафіолетового проміння. Всередину балона поміщалися електроди, один з яких був чутливий до світла, газ відкачувався. Сучасні фотоелементи відрізняються від першого лише конструкцією електродів та їхньою структурою.