Fotoelektrický jav

Fotoelektrický jav. Prichádzajúce EM žiarenie naľavo vyráža elektróny, ktoré sú zobrazené ako letiace doprava, smerom od látky.

Fotoelektrický jav alebo fotoelektrický efekt alebo fotoefekt je experimentálne pozorovaný jav, kedy svetlo vhodnej vlnovej dĺžky pri dopade na kov alebo polovodič vyráža z atómov látky elektróny, ktoré sa potom voľne pohybujú v látke a zvyšujú jej vodivosť (vnútorný fotoelektrický jav) alebo opustia látku (vonkajší fotoelektrický jav). Jav sa využíva napríklad pri konštrukcii fotodiódy alebo fototranzistora.

Vonkajší fotoelektrický jav objavil v roku 1887 nemecký fyzik Heinrich Rudolf Hertz. Kinetická energia vyletujúcich elektrónov nezávisí od intenzity žiarenia, ktoré na povrch kovu dopadá. Zväčšenie intenzity žiarenia vedie k zväčšeniu počtu elektrónov vyletujúcich z kovu. Kinetická energia týchto elektrónov je závislá od frekvencie dopadajúceho žiarenia. Táto závislosť je lineárna, pričom smernica priamky, ktorá ju vyjadruje, sa rovná Planckovej konštante. Túto závislosť nebolo možné vysvetliť z hľadiska klasickej elektromagnetickej teórie.

Albert Einstein našiel pre fotoefekt jednoduché vysvetlenie. Predpokladal, že fotoefekt je proces, pri ktorom platí zákon zachovania energie a že pri tomto jave ide o premenu energie elektromagnetického žiarenia na kinetickú energiu elektrónov. Je to premena, ktorá má v podstate opačný charakter, ako žiarenie absolútne čierneho telesa. Keďže vyžarovanie absolútne čierneho telesa prebieha skokom, Einstein predpokladal, že aj opačný proces musí prebiehať skokom. Takto hypoteticky odvodil existenciu fotónov. Fotónu prisúdil energiu

${\displaystyle E=hf\,\!}$

kde ${\displaystyle h\,\!}$ je Planckova konštanta a ${\displaystyle f\,\!}$ je frekvencia.

Pri fotoefekte sa uvoľňujú elektróny, keď získajú dostatok energie na to, aby mohli prekonať sily, ktoré ich držia v látke. Tú časť energie, ktorá sa spotrebuje na uvoľnenie elektrónu z kovu označme Uo, zostávajúca energia sa premení na kinetickú energiu U_k=½mv² vyletujúceho elektrónu. Potom zo zákona zachovania energie platí

${\displaystyle hf=U_{o}+U_{k}=U_{o}+{\frac {1}{2}}mv^{2}}$

Je kuriozitou, že Albertovi Einsteinovi bola udelená Nobelova cena za fyziku práve za objasnenie fotoelektrického javu, a nie za objav teórie relativity, ktorou sa preslávil.

Vonkajší fotoelektrický jav má dnes len malé praktické využitie vo fotonásobičoch (použitých v špeciálnych vedeckých zariadeniach). Vnútorný fotoelektrický jav je základom väčšiny moderných fotosenzorov v optoelektronike, ako sú fotodióda alebo fototranzistor, ako aj plošné snímače na snímanie obrazu použité v kamerách (obvykle typu CCD).

Fotoelektrický jav z elektrotechnologického hľadiska

Vonkajší fotoelektrický jav spočíva v uvoľňovaní (emisii) elektrónov z povrchu polovodiča po pohltení fotónu s dostatočnou energiou. Časť tejto energie sa spotrebuje na uvoľnenie elektrónov. Ak tento jav nastáva len v určitom rozsahu frekvencií, hovoríme o selektívnom fotoelektrickom jave. Na vonkajšom fotoelektrickom jave sa zakladá napríklad aj činnosť fotoelektrických katód.

Vnútorný fotoelektrický jav spočíva v pohltení energie svetelného žiarenia elektrónmi, následkom čoho sa zmení ich energia a môžu sa uvoľniť z valenčného do vodivostného pásma. Tým dochádza k zvýšeniu koncentrácie voľných nosičov náboja, a tým aj vodivosti polovodiča. Prírastok vodivosti spôsobený týmto javom sa nazýva fotoelektrická vodivosť a závisí od frekvencie a intenzity žiarenia a od teploty. Jav sa prejavuje len v určitej oblasti frekvencií svetelného žiarenia. Vnútorný fotoelektrický jav má veľký význam. Zakladá sa na ňom činnosť fotorezistorov a iných optoelektronických senzorov.