перераспределение электронов по энергетическим состояниям в конденсированной среде, происходящее при поглощении электромагнитного излучения. В неметаллических телах (полупроводниках (См. Полупроводники) и диэлектриках (См. Диэлектрики)) Ф. в. проявляется в изменении электропроводности (см. Фотопроводимость), диэлектрической проницаемости (См. Диэлектрическая проницаемость) среды (см. Фотодиэлектрический эффект) или в возникновении на ее границах электродвижущей силы (см. Фотоэдс). В металлах (См. Металлы) 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).

Лит.: Рывкин с. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963; Бьюб Р., Фотопроводимость твердых тел, пер. с англ., М., 1962; Фотопроводимость. Сб. ст., пер. с англ., М., 1967.

Т. М. Лифшиц.

явление испускания электронов веществом под действием света. Было открыто в 1887 Г.Герцем, обнаружившим, что искровой разряд в воздушном промежутке легче возникает при наличии поблизости другого искрового разряда. Герц экспериментально показал, что это связано с ультрафиолетовым излучением второго разряда. В 1889 Дж.Томсон и Ф.Ленард установили, что при освещении поверхности металла в откачанном сосуде она испускает электроны. Продолжая эти исследования, Ленард продемонстрировал в 1902, что число электронов, вылетающих в 1 с с поверхности металла, пропорционально интенсивности света, тогда как их энергия зависит лишь от световой длины волны, т.е. цвета. Оба эти факта противоречили выводам теории Максвелла о механизме испускания и поглощения света. Согласно этой теории, интенсивность света служит мерой его энергии и, конечно, должна влиять на энергию испускаемых электронов. См. также ЭЛЕКТРОН
.

В 1905 А.Эйнштейн, основываясь на более ранней работе М.Планка, посвященной тепловому излучению, выдвинул гипотезу, согласно которой поведение света в определенных отношениях сходно с поведением облака частиц, энергия каждой из которых пропорциональна частоте света. Позднее эти частицы были названы фотонами. Их энергия (квант энергии, согласно Планку и Эйнштейну) дается формулой Е = h?, где h - универсальная постоянная, впервые введенная Планком и названная его именем, а . - частота света. Эта гипотеза хорошо объясняет результаты опытов Ленарда: если каждый фотон в результате столкновения выбивает один электрон, то более интенсивному свету данной частоты соответствует большее число фотонов и такой свет будет выбивать больше электронов; однако энергия каждого их них остается прежней.

Эйнштейн высказал предположение, что электроны, выходя с поверхности металла, теряют определенную энергию W, называемую работой выхода. Кроме того, большинство электронов передает часть своей энергии окружающим электронам. Таким образом, максимальная энергия фотоэлектрона, выбиваемого фотоном данной частоты, описывается выражением Емакс = h. - W, где W - величина, зависящая от природы металла и состояния его поверхности. Этот закон получил надежное экспериментальное подтверждение, особенно в опытах Р.Милликена в 1916. За работы в области фотоэффекта Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике за 1922.

При определенных условиях фотоэффект возможен в газах и атомных ядрах, из которых фотоны с достаточно высокой энергией могут выбивать протоны и рождать мезоны. Фотоэлектрические свойства поверхности металла широко используются для управления электрическим током посредством светового пучка, при воспроизведении звука со звуковой дорожки кинопленки, а также в многочисленных приборах контроля, счета и сортировки. Фотоэлементы находят применение также в светотехнике. См. также СВЕТ; ФОТОМЕТРИЯ; КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА.

внешний фотоэффект, испускание электронов твёрдыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов) в вакуум или др. среды. Практическое значение в большинстве случаев имеет Ф. э. из твёрдых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков) в вакуум. Основные закономерности Ф. э. состоят в следующем: 1) количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения; 2) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности и температуре Т → 0 К существует порог - минимальная частота ω₀ (или максимальная длина волны λ₀) излучения, за которой Ф. э. не возникает; 3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности.

Ф. э. - результат 3 последовательных процессов: поглощения фотона и появления электрона с высокой (по сравнению со средней) энергией; движения этого электрона к поверхности, при котором часть энергии может рассеяться; выхода электрона в др. среду через поверхность раздела. Количественной характеристикой Ф. э. является квантовый выход Y - число вылетевших электронов, приходящееся на 1 фотон излучения, падающего на поверхность тела. Величина Y зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энергии фотонов.

Ф. э. из металлов возникает, если энергия фотона ηω(η - Планка постоянная, ω - частота излучения) превышает работу выхода (См. Работа выхода) металла еφ. Последняя для чистых поверхностей металлов > 2 эв (а для большинства из них > 3 эв), поэтому Ф. э. из металлов (если работа выхода не снижена специальным покрытием поверхности) может наблюдаться в видимой и ультрафиолетовой (для щелочных металлов и бария) или только в ультрафиолетовой (для всех др. металлов) областях спектра. Вблизи порога Ф. э. для большинства металлов Y Фотоэлектронная эмиссия 10^-4 электрон/фотон. Малая величина Y обусловлена тем, что поверхности металлов сильно отражают видимое и ближнее ультрафиолетовое излучение (коэффициент отражения R > 90\%), так что в металл проникает лишь малая доля падающего на него излучения. Кроме того, фотоэлектроны при движении к поверхности сильно взаимодействуют с электронами проводимости, которых в металле много (Фотоэлектронная эмиссия 10²² см^-3), и быстро рассеивают энергию, полученную от излучения. Энергию, достаточную для совершения работы выхода, сохраняют только те фотоэлектроны, которые образовались вблизи поверхности на глубине, не превышающей несколько нм (рис., а). Менее "энергичные" фотоэлектроны могут пройти без потерь энергии в десятки раз больший путь в металле, но их энергия недостаточна для преодоления поверхностного потенциального барьера и выхода в вакуум.

С увеличением энергии ηωфотонов Y металлов возрастает сначала медленно. При ηω = 12 эв Y чистых металлических плёнок (полученных испарением металла в высоком вакууме) составляет для Al 0,04, для Bi - 0,015 электрон/фотон. При ηω > 15 эв R резко падает (до 5\%), a Y увеличивается и у некоторых металлов (Pt, W, Sn, Ta, In, Be, Bi) достигает 0,1-0,2 электрон/фотон. Случайные загрязнения могут сильно снизить φ, вследствие чего порог Ф. э. сдвигается в сторону более длинных волн, и Y в этой области может сильно возрасти. Резкого увеличения Y и сдвига порога Ф. э. металлов в видимую область спектра достигают, покрывая чистую поверхность металла моноатомным слоем электроположительных (см. Ионизация) атомов или молекул (Cs, Rb, Cs₂O), образующих на поверхности дипольный электрический слой. Например, слой Cs снижает (и соответственно сдвигает порог Ф. э.: для W - от 5,05 до 1,7 эв, для Ag - от 4,62 до 1,65 эв, для Cu - от 4,52 до 1,55 эв, для Ni - от 4,74 до 1,42 эв.

Ф. э. из полупроводников и диэлектриков. В полупроводниках (См. Полупроводники) и диэлектриках (См. Диэлектрики) сильное поглощение электромагнитного излучения начинается от энергий фотонов ηω, равных ширине запрещенной зоны ΔE (для прямых оптических переходов). При ηω ≈ ΔE Поглощения показатель К ≈ 10⁴ см^-1 и с увеличением (возрастает до 10⁵ см^-1. Порог Ф. э. , где χ - Сродство к электрону, т. е. высота потенциального барьера для электронов проводимости (рис., б). В несильно легированных полупроводниках электронов проводимости мало, поэтому здесь, в отличие от металлов, рассеяние энергии фотоэлектронов на электронах проводимости роли не играет. В этих материалах фотоэлектрон теряет энергию при взаимодействии с электронами валентной зоны (ударная ионизация) или с тепловыми колебаниями кристаллической решётки (См. Колебания кристаллической решётки) (рождение Фононов). Скорость рассеяния энергии и глубина, из которой фотоэлектроны могут выйти в вакуум, зависят от величины χ и от соотношения χ и ΔE. Если χ > 2 ΔE, то фотоэлектрон с начальной кинетической энергией ≥ χ рождает электронно-дырочную пару. Длина пробега на рассеяние энергии в таком акте (1-2 нм) во много раз меньше глубины проникновения излучения в кристалл (0,1-1 мкм). Т. о., в этом случае подавляющая часть фотоэлектронов по пути к поверхности теряет энергию и не выходит в вакуум. Такая картина имеет место в Si (ΔE = 1,1 эв, χ = 4,05 эв); в Ge (ΔE = 0,7 эв, χ = 4,2 эе); в GaAs (ΔE = 1,4 эв, χ = 4,07 эв) и др. полупроводниках. В этих материалах вблизи порога Ф. э. Y Фотоэлектронная эмиссия 10 ^-6 электрон/фотон и даже на относительно большом расстоянии от порога (при ηω = ηω + 1 эв) всё ещё не превышает 10^-4 электрон/фотон. Если χ < ΔE, но больше энергии оптического фонона (10^-2 эв), то фотоэлектроны теряют энергию при рождении оптических фононов. При таком механизме потерь энергия фотоэлектронов рассеивается в полупроводниках на длине пробега всего 10-30 нм. Поэтому, если снизить (полупроводника, например от 4 до 1 эв, Ф. э. вблизи порога остаётся малой. В кристаллах щёлочно-галоидных соединений длина пробега больше 50-100 нм, ηωневелико, поэтому Y таких кристаллов резко возрастает от самого порога Ф. э. и достигает высоких значений. Так, в CsJ ΔE = 6,4 эв, χ = 0,1 эв и уже при ηω = 7 эв (т. е. всего на 0,6 эв от порога), Y = 0,1 электрон/фотон и практически не изменяется при увеличении ηω.

Применение. Из-за больших ΔE порог Ф. э. для щёлочно-галоидных кристаллов лежит в ультрафиолетовой области спектра, для которой они (в виде тонкой плёнки на проводящей подложке) являются хорошими Фотокатодами. Для большинства технических применений важны также материалы, обладающие высоким Y для видимого и ближнего инфракрасного излучений при малых ΔE и χ. Наиболее распространены (и технически хорошо освоены) в качестве фотокатодов Полупроводниковые материалы на основе элементов I и V групп периодической системы элементов, часто в сочетании с кислородом (Cs₃Sb, Na₂KSb и др.). У них ΔE < 2 эв, χ < 2 эв и Y в видимой области спектра достигает величины Фотоэлектронная эмиссия 0,1 электрон/фотон.

Усовершенствование техники очистки поверхностей полупроводников в сверхвысоком вакууме (См. Сверхвысокий вакуум) позволило резко снизить ηωполупроводников типа A^III B^V и Si р-типа до величины ηω < ΔE с одновременным созданием в тонком приповерхностном слое полупроводника сильного внутреннего электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны. При этом работа выхода ηω < ΔE, а высота поверхностного потенциального барьера (ниже уровня дна зоны проводимости в объёме кристалла. В результате обеспечивается выход в вакуум значительного числа термализованных (имеющих тепловые энергии) электронов из большой глубины порядка диффузионной длины неосновных носителей заряда (Фотоэлектронная эмиссия 10^-4 см). Фотокатоды такого типа называются фотокатодами с отрицательным электронным сродством (рис., б). Они обладают самым высоким квантовым выходом в ближней инфракрасной области спектра, достигающим 0,09 электрон/фотон при λ = 1,06 мкм.

Ф. э. широко используется для исследования энергетической структуры веществ, для химического анализа (Фотоэлектронная спектроскопия), в измерительной аппаратуре, в звуковоспроизводящей киноаппаратуре и в приборах автоматики (Фотоэлементы, фотоэлектронные умножители (См. Фотоэлектронный умножитель)), в передающих телевизионных трубках (Супериконоскоп, Суперортикон), в инфракрасной технике (Электроннооптический преобразователь) и в др. приборах, предназначенных для регистрации излучений рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн.

Лит.: Соболева Н. А., Фотоэлектронные приборы, М., 1965; Соммер А., Фотоэмиссионные материалы, пер. с англ., М., 1973; Соболева Н. А., Новый класс электронных эмиттеров, "Успехи физических наук", 1973, т. Ill, в. 2, с. 331-53: Ненакаливаемые катоды, М., 1974.

Г. М. Лифшиц.

Энергетические схемы фотоэлектронной эмиссии из металла (а); полупроводника

с χ > 2ΔE (б); полупроводника с поверхностью, обработанной до "отрицательного" электронного сродства (eφ < ΔE) (в). В области сильного внутреннего электрического поля энергетические зоны изогнуты; клеточки показывают заполненные электронные состояния; жирная черта - дно зоны проводимости; φ - поверхностный потенциальный барьер.

возникновение Фотоэдс в однородном полупроводнике (См. Полупроводники) при одновременном одноосном сжатии и освещении.

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 (См. Лукирский) 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 (См. Ионизация), в конденсированной среде - работой выхода (См. Работа выхода). Закон сохранения энергии при Ф. выражается соотношением Эйнштейна: , где E - кинетическая энергия фотоэлектрона, ηω- энергия фотона, η - Планка постоянная, E_i - энергия ионизации атома или работа выхода электрона из тела. При ηω < E_i, 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 ηω, равных или не очень сильно (в десятки и сотни раз) превышающих работу выхода, излучение поглощается электронами проводимости (См. Электрон проводимости) (в металлах (См. Металлы)) или валентными электронами (в полупроводниках (См. Полупроводники) и диэлектриках (См. Диэлектрики)), 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 ηω, 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. σ_ф сначала растет с ω, а затем, когда ηωстановится больше энергии связи электронов самых глубоких оболочек атома, уменьшается. Такая зависимость σ_ф от ω качественно объясняется тем, что чем больше ηωпо сравнению с E_i, 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, σ_ф имеет наибольшее значение для К-электронов и быстро увеличивается при переходе к тяжёлым элементам (Фотоэффект Z⁵). При ηωпорядка 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 γ-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.