Как радиация «выбивает» электроны: фотоэффект и его применение

Физический механизм и квантовая природа процесса

В классической волновой физике свет рассматривали как непрерывную электромагнитную волну. С этой точки зрения казалось, что электрон постепенно раскачивается переменным электрическим полем волны, накапливает энергию и со временем вылетает наружу. Эксперименты Александра Столетова в конце XIX века и Филиппа Ленарда в начале XX века разрушили эту модель. Выяснилось, что вылет электронов начинается буквально в ту же наносекунду, когда падает свет, даже если освещение крайне слабое. При этом увеличение интенсивности потока света просто увеличивало количество вылетающих частиц, но никак не меняло их максимальную скорость.

Объяснение дал Альберт Эйнштейн в 1905 году, взяв за основу гипотезу Макса Планка. Свет поглощается не непрерывно, а дискретными порциями — фотонами. Энергия каждого фотона строго привязана к его частоте через формулу E = hν, где h — постоянная Планка, равная примерно 6,626 на 10 в минус 34-й степени Джоуль-секунды, а ν — частота колебаний излучения. Взаимодействие происходит один на один. Один фотон целиком передаёт свою энергию ровно одному электрону.

Чтобы электрон смог оторваться от атомов и преодолеть притяжение положительно заряженного остова решётки, ему нужно преодолеть энергетический барьер. Эту минимальную затрату энергии называют работой выхода. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта описывает этот баланс просто: энергия падающего фотона расходуется на преодоление работы выхода и на сообщение электрону кинетической энергии. Если частота света мала, энергии отдельного кванта физически недостаточно для преодоления барьера, сколько бы фотонов в секунду ни падало на металл.

Красная граница и распределение энергии

Минимальную частоту излучения, при которой начинается вырывание электронов, называют красной границей фотоэффекта. Название историческое, ведь красный цвет находится на длинноволновом краю видимого диапазона с наименьшей частотой. Если частота излучения падает ниже этого порога, фотоэффект прекращается полностью.

Разные материалы удерживают электроны с разной силой. Щелочные металлы вроде цезия, калия или натрия обладают малой работой выхода. Цезий реагирует даже на видимый свет и инфракрасную часть спектра, его работа выхода составляет порядка 1,9–2,1 электронвольта. Металлы вроде меди, железа или платины требуют энергии свыше 4,5–5,3 электронвольт. Чтобы выбить электрон из пластинки цинка или платины, потребуется жёсткое ультрафиолетовое излучение или рентгеновские лучи.

Разновидности фотоэффекта в материалах

Явление выбивания электронов делят на два основных типа в зависимости от того, куда именно улетает электрон после удара фотона.

• Внешний фотоэффект происходит, когда электроны полностью покидают толщу вещества и вылетают в окружающий вакуум или газ. Именно его изучали Столетов и Эйнштейн на металлах.
• Внутренний фотоэффект характерен для полупроводников и диэлектриков, где поглощённый квант света отрывает электрон от атома, переводя его из валентной зоны в зону проводимости без выхода за пределы кристалла. В веществе образуется пара свободных носителей заряда: электрон и дырка.
• Вентильный фотоэффект возникает на границе разнородных материалов, например в p-n переходе, где внутреннее контактное электрическое поле разделяет освободившиеся носители, создавая разность потенциалов без внешнего источника тока.

Как работает фотоэлемент в автоматических дверях

Автоматические раздвижные двери в супермаркетах и на станциях метро используют фотореле безопасности или оптические барьеры. В проёме дверей монтируют инфракрасный светодиод или лазерный излучатель с одной стороны и приемник с полупроводниковым фотоэлементом с другой стороны.

В качестве приемника выступает фотодиод или фоторезистор. Когда невидимый инфракрасный луч непрерывно падает на кремниевую пластину фотоприемника, фотоны выбивают электроны из связей внутри полупроводника. Происходит внутренний фотоэффект. Концентрация свободных носителей заряда возрастает, сопротивление полупроводникового слоя падает, и через управляющую цепь свободно течёт постоянный ток удержания. Блок управления считывает этот сигнал как признак свободного проёма.

Когда человек делает шаг и пересекает луч, поток фотонов мгновенно прерывается. Генерация свободных электронов в полупроводнике останавливается за доли микросекунды. Заряды рекомбинируют, сопротивление элемента резко возрастает, ток в сигнальной цепи падает до нуля. Контроллер дверей мгновенно регистрирует разрыв электрической цепи и отправляет команду приводу остановить закрытие створок или распахнуть их в обратную сторону.

Другие сферы практического применения

Квантовое взаимодействие света с электронами лежит в основе современной сенсорики, энергетики и систем связи. Без этого процесса невозможно представить современную технику.

• Солнечные батареи используют вентильный фотоэффект на кремниевых переходах, напрямую превращая энергию солнечных фотонов в постоянный электрический ток с коэффициентом полезного действия до 20–24 процентов в массовых панелях.
• Матрицы цифровых камер и смартфонов содержат миллионы микроскопических светочувствительных ячеек, которые улавливают кванты света, накапливают пропорциональный электрический заряд и формируют пиксели цифрового снимка.
• Фотоэлектронные умножители регистрируют единичные фотоны в физике высоких энергий и медицине, разгоняя первично выбитый электрон в вакуумной трубке через каскад электродов с лавинообразным усилением сигнала в миллионы раз.
• Приборы ночного видения преобразуют слабый поток фотонов инфракрасного диапазона на фотокатоде в поток электронов, который затем разгоняется полем и проецируется на люминесцентный экран.