Эффект состоит в том, что при высокой интенсивности светового поля ионизация атомов может производить под воздействием излучения, для которого энергия кванта меньше энергии ионизации. Это объясняется тем, что происходит одновременное поглощение нескольких фотонов, сумма энергий которых больше энергии ионизации атомов. Здесь просматривается некая аналогия с антистоксовской люминесценцией. Следует отметить, что, например, для двухфотонного фотоэффекта величина тока в фотоэлементе пропорциональна квадрату мощности лазерного излучения.

 

 * * *

 

Если интенсивность света большая, то возможен многофотонный фотоэффект, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергии. Не от одного, а от N фотонов (N=2–7 ). Уравнение Эйнштейна для многофотонного эффекта

Nhv=A+ mv_max²/2

В опытах с фокусируемыми пучками плотность фотонов очень большая, поэтому электрон может приобрести энергию, необходимую для вывода вещества, даже под действием света с частотой, меньшей красной границы – порога однофотонного фотоэффекта. В результате красная граница смещается в сторону более длинных волн.
Идея Эйнштейна о распространении света в виде потока отдельных фотонов в квантовом характере взаимодействия электромагнитного излучения с веществом подтверждена в 1922 году А.Ф. Иоффе и Н.И. Добронравовым. В электрическом поле плоского конденсатора уравновешивалась заряженная пылинка из висмута. Нижняя обкладка конденсатора изготовлялась из тончайшей алюминиевой фольги, которая являлась одновременно анодом миниатюрной рентгеновской трубки. Анод бомбардировался ускоренными до 12 кВ фотоэлектронами, испускаемыми катодом под действием ультрафиолетового излучения. Освещенность катода подбиралась столь слабой, чтобы из него в 1с вырывалось лишь 1000 фотоэлектронов, а, следовательно, и число рентгеновских импульсов было 1000 в 1с. Опыт показал, что в среднем через каждые 30 мин уравновешенная пылинка выходила из равновесия, т.е. рентгеновское излучение освобождало из нее фотоэлектрон.
Если бы рентгеновское излучение распространялось в виде сферических волн, а не отдельных фотонов, то каждый рентгеновский импульс отдавал бы пылинке очень малую часть своей энергии, которая распределялась бы, в свою очередь, между огромным числом электронов, содержащихся в пылинке. Поэтому при таком механизме трудно вообразить, что один из электронов за такое короткое время, как 30 мин, может накопить энергию, достаточную для преодоления работы выхода из пылинки. Напротив, с точки зрения корпускулярной теории это возможно. Так, если рентгеновское излучение распространяется в виде потока дискретных фотонов, то электрон выбивается из пылинки, только когда в него попадает фотон. Элементарный расчет для выбранных условий дает, что в среднем в пылинку попадает один фотон из 1,8_^.10⁶. Так как в 1с вылетает 1000 фотонов, то в среднем в пылинку будет попадать один фотон в 30 мин, что согласуется с результатами опыта.
Если свет представляет собой поток фотонов, то каждый фотон, попадая в регистрирующий прибор (глаз, фотоэлемент), должен вызывать то или иное действие независимо от других фотонов. Это же означает, что при регистрации слабых световых потоков должны наблюдаться флуктуации их интенсивностей. Эти флуктуации слабых потоков видимого света действительно наблюдались С. И. Вавиловым. Наблюдения проводились визуально. Глаз, адаптированный к темноте, обладает довольно резким порогом зрительного ощущения, т.е. воспринимает свет, интенсивность которого меньше некоторого порога. Для света с длиной волны 525 нм порог зрительно ощущения соответствует у разных людей примерно 100 – 400 фотонам, падающим на сетчатку за 1с. С.И. Вавилов наблюдал периодически повторяющиеся вспышки света одинаковой длительности. С уменьшением светового потока некоторые вспышки уже не воспринимались глазом, причем, чем слабее был световой поток, тем больше было пропусков вспышек. Это объясняется флуктуациями интенсивности света, т.е. число фотонов оказывалось по случайным причинам меньше порогового значения. Таким образом, опыт Вавилова явился наглядным подтверждением квантовых свойств света.

 

 * * *

 

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Это явление было открыто Г. Герцем в 1887 г. Он заметил, что проскакивание искры между шариками разрядника значительно облегчается, если один из шариков осветить ультрафиолетовыми лучами. В 1888-1889 гг. А.Г.Столетов подверг фотоэффект систематическому исследованию с помощью установки, схема которой показана на рисунке 1.

Конденсатор, образованный проволочной сеткой и сплошной пластиной, был включен последовательно с гальванометром G в цепь батареи. Свет, проходя через сетку, падал на сплошную пластину. В результате в цепи возникал ток, регистрировавшийся гальванометром. На основании своих опытов Столетов пришел к следующим выводам:

1) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;
2) сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины;
3) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

Спустя 10 лет (в 1898 г.) Ленард и Томсон, измерив удельный заряд испускаемых под действием света частиц, установили, что эти частицы
являются электронами. Ленард и другие исследователи усовершенствовали прибор Столетова, поместив электроды в эвакуированный баллон (рисунок 2). Свет, проникающий через кварцевое окошко Кв, освещает катод К, изготовленный из исследуемого материала. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду А. В результате в цепи прибора течет фототок, измеряемый гальванометром G. Напряжение между анодом и катодом можно изменять с помощью потенциометра П.

Полученная на таком приборе вольт-амперная характеристика приведена на рисунке 3

Естественно, что характеристика снимается при неизменном потоке света Ф. Из этой кривой видно, что при некотором не очень большом напряжении фототок достигает насыщения – все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Следовательно, сила тока насыщения I_n определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света. Пологий ход кривой указывает на то, что электроны вылетают из катода с различными по величине скоростями. Доля электронов, отвечающая силе тока при U=0, обладает скоростями, достаточными для того, чтобы долететь до анода «самостоятельно», без помощи ускоряющего поля. Для обращения силы тока в нуль нужно приложить задерживающее напряжение U_z. При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшим значением скорости х_m, не удается преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Таким образом, измерив задерживающее напряжение U_z, можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов.
К 1905 г. было выяснено, что максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты – увеличение частоты приводит к возрастанию скорости.
Установленные экспериментально зависимости не укладываются в рамки классических представлений. Например, скорость фотоэлектронов по классическим понятиям должна возрастать с амплитудой, а, следовательно, и с интенсивностью электромагнитной волны. В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями  hv (квантами), какими он, по предположению Планка, испускается. По мысли Эйнштейна, энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта , который усваивается им целиком. Часть этой энергии, равная работе выхода А, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Если электрон освобождается светом не у самой поверхности, а на некоторой глубине, то часть энергии, равная Е', может быть потеряна вследствие случайных столкновений в веществе. Остаток энергии образует кинетическую энергию Е_k электрона, покинувшего вещество. Энергия Е_k будет максимальна, если Е' = 0. В этом случае должно выполняться соотношение

(1)

которое называется формулой Эйнштейна (1).
Фотоэффект и работа выхода в сильной степени зависят от состояния поверхности металла (в частности, от находящихся на ней окислов и адсорбированных веществ). Поэтому долгое время не удавалось проверить формулу Эйнштейна с достаточной точностью. В 1916 г. Милликен создал прибор, в котором исследуемые поверхности подвергались очистке в вакууме, после чего измерялась работа выхода и исследовалась зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света (эта энергия определялась путем измерения задерживающего потенциала U_z). Результаты оказались в полном согласии с формулой (1). При данной v, Милликен определил значение постоянной Планка h , которое оказалось совпадающим со значениями, найденными из спектрального распределения равновесного теплового излучения и из коротковолновой границы тормозного фотоэффекта.
Дальнейшее усовершенствование методики исследования фотоэффекта было осуществлено в 1928 г. П. И. Лукирским и С. С. Прилежаевым, которые создали прибор в виде сферического конденсатора. Анодом в их приборе служили посеребренные стенки стеклянного сферического баллона. В центре баллона помещался катод в виде шарика. При такой форме электродов вольтамперная характеристика идет круче, что позволяет повысить точность Из формулы (1) вытекает, что в случае, когда работа выхода А превышает энергию кванта hv, электроны не могут покинуть металл. Следовательно, для возникновения фотоэффекта необходимо выполнение условия hv > А, или

 

Соответственно для длины волны получается условие

 

Частота v₀ или длина волны λ называется красной границей фотоэффекта. Число высвобождаемых вследствие фотоэффекта электронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность квантов света. Вместе с тем световой поток Ф определяется количеством квантов света, падающих на поверхность в единицу времени. В соответствии с этим ток насыщения I_n должен быть пропорционален падающему световому потоку: Эта зависимость также подтверждается экспериментально. Заметим, что лишь малая часть квантов передает свою энергию фотоэлектронам. Энергия остальных квантов затрачивается на нагревание вещества, поглощающего свет. В рассмотренном выше явлении фотоэффекта электрон получает энергию от одного лишь фотона. Такие процессы называются однофотонными. С изобретением лазеров были получены недостижимые до тех пор мощности световых пучков. Это дало возможность осуществить многофотонные процессы. В частности, был наблюден многофотонный фотоэффект, в ходе которого электрон, вылетающий из металла, получает энергию не от одного, а от N фотонов (N = 2, 3,4,5).
Формула Эйнштейна в случае многофотонного фотоэффекта выглядит следующим образом (2)

(2)

Соответственно красная граница фотоэффекта смещается в сторону более длинных волн (λ₀ увеличивается в N раз).
 

 

 

Многофотонный фотоэффект. Эффект состоит в том, что при высокой интенсивности светового поля ионизация атомов может производить под воздействием излучения, для которого энергия кванта меньше энергии ионизации. Это объясняется тем, что происходит одновременное поглощение нескольких фотонов, сумма энергий которых больше энергии ионизации атомов. Здесь просматривается некая аналогия с антистоксовской люминесценцией. Следует отметить, что, например, для двухфотонного фотоэффекта величина тока в фотоэлементе пропорциональна квадрату мощности лазерного излучения. Эффект самофокусировки. Известно, что первоначально параллельный пучок света по мере распространения в среде (включая и вакуум) расплывается за счет дифракционных явлений. Это справедливо при малых интенсивностях света, пока еще среда остается линейной с увеличением мощности светового пучка его расходимость начинает уменьшаться. При некоторой критической мощности пучок может распространяться, вообще не испытывая расходимости (режим самоканализации), а при мощности, превышающей критическую, пучок скачком сжимается к оси и сходится в точку на некотором расстоянии от места входа в среду ставшую теперь нелинейной. Происходит процесс самофокусировки. Это расстояние, называемое эффективной длиной самофокусировки, обратно пропорционально квадратному корню из интенсивности пучка. Оно также зависит от его диаметра и оптических свойств среды.