Фотоэффект – это явление, при котором под действием электромагнитного излучения (света) тело испускает электроны. (рисунок 1).

Фотоэффект был открыл Генрихом Герцем в 1887 году. Во время работы с открытым резонатором ученый обнаружил, что если посветить на цинковые разрядники ультрафиолетовым светом, то прохождение искры заметно облегчается. Дальнейшие исследования эффекта показали, что энергия электронов, вылетевших из проводника, зависит только от частоты падающего света и практически не зависит от его интенсивности. Фотоэффект был объяснен Альбертом Эйнштейном в 1905 году, за что он в 1921 году получил нобелевскую премию.
В основе объяснения фотоэффекта, данного Эйнштейном, лежит теория Макса Планка о квантовой природе света. Эйнштейн предположил, что свет не только излучается квантами (как считал Планк), но и существует лишь в виде квантов (фотонов). Исходя из этого предположения, можно записать формулу фотоэффекта:

где  - работа по ионизации атомов вещества (для металлов она равна нулю),  - работа, необходимая для выхода электрона из вещества, - кинетическая энергия вылетевшего электрона,  - частота падающего фотона с энергией ,  - постоянная Планка.

Из приведённой выше формулы следует существование красной границы фотоэффекта. Это означает, что не любое излучение способно возбудить электроны до такой энергии, чтобы они смогли покинуть вещество. Для металлов частота красной границы равна:

Для конденсированных тел (жидких и твёрдых) выделяется внешний и внутренний фотоэффекты. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов под действием света во внешнюю среду. А внутренним – перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках под действием света. При внутреннем фотоэффекте электроны не покидают облучаемого тела.
Если к облучаемой пластинке добавить ещё один электрод и создать разность потенциалов между ними, то мы сможем разогнать вылетевшие из вещества электроны, тем самым, преобразуя электромагнитную энергию падающего света в механическую энергию электронов.
 

Фотоэффект используется для получения электромагнитной энергии из света в фотоэлементах. Так работают солнечные электростанции.
Также фотоэлемент нашёл применение в цифровой фототехнике. В фотоаппарате на матрице расположено множество фотоэлементов (по три – красный, синий, зелёный – на каждый пиксель), которые преобразуют свет в электромагнитный сигнал, несущий информацию о фотографируемой картинке.

Электровакуумные или полупроводниковые приборы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, называют фотоэлектронными. Рассмотрим устройство некоторых из них.
Наиболее распространенным фотоэлектронным прибором является фотоэлемент. Фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, состоит из источника электронов — фотокатода, на который попадает свет, и анода.
Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотокатод, представляющий собой фоточувствительный слой, может быть непосредственно нанесен на часть внутренней поверхности баллона. На рисунке дана схема включения фотокатода в цепь.
Для вакуумных фотоэлементов рабочим режимом является режим насыщения, которому соответствуют горизонтальные участки ВАХ, полученных при разных значениях светового потока.
Основной параметр фотоэлемента — его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения порядка 100 мкА/лм.
 

Схема ФЭУ приведена на рисунке 1.

Падающие на фотокатод К фотоны эмиттируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде) Э1. В результате вторичной электронной эмиссии с этого динода вылетает больше электронов, чем падает на него, т. е. происходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнению с первичным фототоком.
ФЭУ применяют главным образом для измерения малых лучистых потоков, в частности ими регистрируют сверхслабую биолюминесценцию, что важно при некоторых биофизических исследованиях.
 

На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений. Схема простейшего ЭОП приведена на рисунке 2.

Световое изображение объекта 1, проецированное на полупрозрачный фотокатод К, преобразуется в электронное изображение 2. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов Э электроны попадают на люминесцентный экран Е. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое 3.
В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека.
Если сигнал с ЭОП подать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телевизора можно получить «тепловое» изображение предметов. Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом при цветном изображении, либо светом, если изображение черно-белое. Такая техническая система, называемая тепловизором, используется в термографии.