Фотоэффектом (или внешним фотоэффектом) называют испускание электронов поверхностью твёрдых или жидких тел под действием света.
Впервые фотоэффект был открыт в 1887 г. Г.Герцем, который обнаружил, что искровой разряд между двумя металлическими шариками происходит значительно интенсивнее, если один из шариков освещать ультрафиолетовыми лучами.
Детальное экспериментальное исследование закономерностей внешнего фотоэффекта для металлов было выполнено в 1888 г. А.Г.Столетовым на установке с фотоэлементом, схема которой приведена на рисунке.
Фотоэлемент в виде вакуумной двухэлектродной лампы имеет металлический катод K, который при освещении его через кварцевое окошко видимым светом или ультрафиолетовым излучением испускает электроны. Вылетевшие из катода фотоэлектроны, достигая анода A, обеспечивают протекание в цепи электрического тока, который фиксируется гальванометром или миллиамперметром. Специальная схема подключения источника позволяет изменять полярность напряжения, подаваемого на фотоэлемент.
Экспериментально были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:
1) Для монохроматического света определенной длины волны фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на катод.
2) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от величины светового потока, а определяется лишь частотой излучения.
3) Для каждого вещества катода существует своя граничная частота ωk такая, что излучение с частотой ω < ωk фотоэффекта не вызывает. Эту граничную частоту называют частотой красной границы фотоэффекта.
В 1905 г. Эйнштейн предложил концепцию фотонов как частиц излучения, несущих квант энергии для объяснения экспериментов по фотоэффекту. Рассмотрев в такой теории процесс взаимодействия излучения с металлом как процесс неупругого соударения фотона со свободным электроном металла. В таком процессе электрон приобретает всю энергию от фотона, которая пропорциональна частоте излучения.
ħω = Aвых + Tm , где Tm — максимальная энергия фотоэлектронов
hν = Aвых + mυ2/2
— уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта
Следствие: максимальная энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего на металл излучения и, если ħω < A, то фотоэффект не должен наблюдаться. Отсюда, для частоты и длины волны красной границы фотоэффекта получаем простые формулы:
ωk = A/ħ
λk = ħc/A
