Фотоэффектом называют испускание электронов веществом под действием света. Это явление было открыто Г. Герцем в 1887 г. Он заметил, что при облучении ультрафиолетовым светом отрицательно заряженного электроскопа происходит его разрядка. Положительно заряженный электроскоп при облучении не разряжается. Это значит, что при падении света на металлический шарик электроскопа из него удаляется в окружающее пространство отрицательный заряд.

Экспериментальное исследование фотоэффекта проведено Столетовым. Он предложил удобную измерительную схему, принцип которой сохранился до настоящего времени. Внутрь баллона, в котором создан вакуум, помещаются два электрода: фотокатод К, изготовленный из исследуемого материала, и анод. Свет направляется на фотокатод через кварцевое окно. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта (так называемые фотоэлектроны), перемещаются под действием электрического поля к аноду. Появление тока в цепи регистрируется гальванометром Г, напряжение между фотокатодом и анодом изменяется потенциометром П, а измеряется вольтметром V.

Многочисленными экспериментами установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

1. Сила фототока зависит от приложенного напряжения при неизменном световом потоке следующим образом. С увеличением напряжения фототок сначала растет, достигая наибольшего значения, получившего название тока насыщения. Сила фототока пропорциональна падающему световому потоку.

2. Для каждого металла существует максимальная длина волны света (минимальная частота), при которой еще происходит высвобождение электронов. Если длина волны превышает эту так называемую красную границу фотоэффекта, то эмиссия электронов отсутствует даже при сравнительно большой интенсивности облучающего света.

3. Максимальная энергия фотоэлектрона линейно зависит от частоты со падающего света и на зависит от его интенсивности.

С точки зрения классических волновых представлений о природе излучения факт освобождения электронов из металла неудивителен. Падающая на поверхность электромагнитная волна вызывает вынужденные колебания электронов в металле. Поглощая энергию волны, электрон может накопить ее в количестве, достаточном для преодоления электрических сил, удерживающих электрон в металле (то есть совершить работу выхода A). Но в этом случае энергия фотоэлектрона должна увеличиваться при возрастании интенсивности падающего света. Но опыт показывает, что энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света. Увеличение интенсивности приводит лишь к пропорциональному увеличению числа фотоэлектронов. Энергия же отдельного фотоэлектрона зависит только от частоты падающего света.

В 1905 г. Эйнштейн объяснил экспериментальные закономерности фотоэффекта на основе гипотезы световых квантов (фотонов), суть которой состоит в следующем: падающее излучение рассматривается как поток фотонов, энергия которых связана с частотой соотношением E = hν (где h = 6,63·10^-34 Дж·с – универсальная постоянная, впервые введенная Планком). При поглощении фотона его энергия целиком передается одному электрону, и если эта энергия достаточна для того, чтобы освободить электрон от удерживающих его связей, то он может выйти за пределы поверхности металла.

По квантовым представлениям, полное число освобожденных электронов пропорционально числу поглощенных фотонов, то есть сила тока насыщения пропорциональна интенсивности падающей электромагнитной волны. Но энергия отдельного фотоэлектрона определяется энергией поглощенного фотона E = hν. Отсюда ясно, почему энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего света и совсем не зависит от его интенсивности (то есть числа падающих фотонов).

Приобретаемая электроном энергия hν частично затрачивается на освобождение его из металла. Ее излишек остается в форме кинетической энергии освобожденного электрона. Минимальную энергию А, необходимую для освобождения электрона из металла, называют работой выхода. Таким образом, для фотоэлектронов, имеющих максимальную скорость, закон сохранения энергии при поглощении одного фотона (уравнение Эйнштейна) можно записать:

Очевидно, что при hν < A электрон не может выйти из металла. Это значит, что существует максимальная частота излучения , при которой еще возможен фотоэффект. При частотах меньших ν_m фотоэффект не наблюдается. Cледовательно, уравнение Эйнштейна объясняет существование красной границы фотоэффекта.

Итак, из теории фотоэффекта видно, что для объяснения экспериментальных закономерностей этого явления электромагнитную волну следует рассматривать как поток фотонов.