Светоэлектрический эффект (увлечение электронов фотонами) – появление направленного электронного потока в твердом проводнике в результате передачи электронам импульсам от направленного потока фотонов. Наблюдается в оптических и СВЧ – диапазонах в некоторых металлах, полупроводниках, полуметаллах в виде тока (тока увлечения) или эдс. Наиболее исследован в полупроводниках (Ge, Si, соединениях A_IIIB_V), где может возникать как при межзонных переходах, фотоионизации связанных электронов, так и при поглощении света свободными электронами и дырками.

Импульс фотонов в конечном счете приобретаемый всем твердым телом, вначале в значительной мере воспринимается подвижными носителями, вызывая их смещение. Время затухания полученного электроном импульса τ ~10^-10 – 10^-13 с, что определяет малую инерционность эффекта. Так как импульс фотона равен сумме импульсов, приобретаемых решеткой и электронами, то возможен случай, когда импульс, приобретаемый электроном, противоположен по знаку импульсу фотона.

 

Увлечение электронов фотонами обнаруживается в короткозамкнутом образце в виде тока (тока увлечения) или в разомкнутом образце в виде эдс. Плотность тока может быть записана в виде(1):

где e, m – заряд и эффективная масса носителей заряда; <τ> - усредненное время релаксации импульса носителей; I, n,α - соответственно интенсивность (1/см²∙с), показатель преломления, коэффициент поглощения света, hν - энергия фотона; Θ коэффициент, характеризующий долю импульса фотонов, приобретаемую электронами.

В полупроводниках со сложными зонами при определенной ориентации кристалла наряду с продольным может возникнуть поперечный ток увлечения, направленный перпендикулярно импульсу фотонов. Так, например, при освещении поверхности кубического кристалла светом, линейно поляризованным в плоскости, составляющей угол Θ с его осью, возникает поперечный ток, направленный под углом 2Θ к этой оси (2):

Здесь р – переданный электронам импульс. Величина и знак коэффициента η зависят от расположения экстремумов зон, анизотропии изоэнергетических поверхностей и механизмов рассеяния электронов.

Эффект увлечения электронов фотонами экспериментально обнаружен в 1958. Классическая теория его основана на рассмотрении тока увлечения как холловского тока, возникающего в электрических и магнитных полях световой волны, с учетом тока, обусловленного пространственной дисперсией проводимости. Увлечение электронов используется для измерения временных характеристик излучения импульсных лазеров и для регистрации ИК-излучения.
 

Для регистрации сверхкоротких импульсов лазерного излучения ИК диапазона существует разновидность приемников света, в которых используется эффект увлечения свободных электронов в полупроводниках фотонами. При поглощении света электронами вместе с энергией падающей световой волны поглощается и её импульс (количество движения). Перераспределение импульса между кристаллической решёткой полупроводника и свободными электронами приводит к появлению упорядоченного движения (увлечения) электронов относительно решётки и регистрируется в виде тока или эдс. Приемники излучения этого типа обладают высоким временным разрешением (постоянная времени ~ 10^-11—10^-10 сек); они не требуют принудительного охлаждения и использования источников питания.

Электрон проводимости - электрон металлов и полупроводников, энергия которого находится в частично заполненной энергетической зоне (зоне проводимости). В полупроводниках при абсолютном нуле температуры электроны в зоне проводимости отсутствуют. Они появляются при повышении температуры, освещении, внедрении примесей и других внешних воздействиях. В металлах всегда есть электроны проводимости, и их концентрация велика. При Т = 0 К в металле электроны проводимости занимают все состояния с энергией, меньшей энергии Ферми. Свойства электронов проводимости удобно описывать в терминах кинетической теории газов, пользуясь понятиями длины свободного пробега, частоты столкновений и т. п. В полупроводниках, где число электронов проводимости относительно мало, газ электронов проводимости хорошо описывается классической Больцмана статистикой. В металлах электроны проводимости образуют вырожденную Ферми-жидкость.

Фотон - элементарная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия, квант электромагнитного поля. Фотоны обозначаются буквой γ, поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны.

Фотон относится к калибровочным бозонам. Он не имеет массы покоя и электрического заряда, стабилен. Спин фотона равен 1, но из-за нулевой массы более правильное число — спиральность; по этой же причине внутренняя чётность фотона не определена. Является истинно нейтральной частицей (или, иными словами, является античастицей для самого себя). Зарядовая чётность отрицательная. Фотон участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте и теоретических обоснованиях. Фотон не имеет электрического заряда. При обратных процессах (возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар) происходит поглощение фотонов. Поскольку фотон — безмассовая частица, он движется в вакууме со скоростью с  (скорость света в вакууме).

Фотону свойствен корпускулярно-волновой дуализм. С одной стороны, фотон демонстрирует свойства электромагнитной волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной волны фотона. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть просто короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделен на несколько пучков оптическими делителями лучей. Фотон ведёт себя как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, причём размеры которых много меньше длины волны фотона (например, атомами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

Эффект Комптона (Комптон-эффект) — явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами. Обнаружен американским физиком Артуром Комптоном в 1923 году для рентгеновского излучения.

Для рассеяния на покоящемся электроне частота рассеянного фотона:

где α — угол рассеяния (угол между направлениями распространения фотона до и после рассеяния).
Перейдя к длинам волн:

где    — комптоновская длина волны заряженной частицы.

Для электрона λ_k = 2,4263^.10^-12 м. Уменьшение энергии фотона после комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом. В классической электродинамике рассеяние электромагнитной волны на заряде (томсоновское рассеяние) не сопровождается уменьшением её частоты.

Объяснение эффект Комптона невозможно в рамках классической электродинамики. С точки зрения классической физики электромагнитная волна является непрерывным объектом и в результате рассеяния на свободных электронах изменять свою длину волны не должна. Эффект Комптона является прямым доказательством квантования электромагнитной волны, другими словами подтвержданиет существование фотона. Эффект Комптона является ещё одним доказательством справедливости корпускулярно-волоновго дуализма микрочастиц.