Внешний фотоэлектрический эффект

Планковская теория излучения абсолютно черного тела и изучение фотоэлектрического эффекта явились основанием для создания квантовой теории света.

Явление фотоэлектрического эффекта — вырывания электронов из атомов или молекул под действием света — впервые было обнаружено в 1887 г. Герцем.

Если электроны, выбитые светом, вылетают за пределы вещества, фотоэффект называют внешним. Внешний фотоэффект наблюдается главным образом у металлов. Если же оторванные от своих атомов или молекул электроны остаются внутри освещаемого материала в качестве свободных, то фотоэффект называют внутренним. Внутренний фотоэффект наблюдается у некоторых полупроводников и в меньшей степени — у диэлектриков. Явление внешнего фотоэффекта впервые было исследовано Столетовым[1] в 1890 г. Явление внутреннего фотоэффекта было исследовано академиком Иоффе в 1908 г.

Схема опытов Столетова по исследованию внешнего фотоэффекта изображена на рис. 5.40. В вакуумной трубке помещают исследуемую пластинку К, служащую катодом, и вспомогательный электрод А, служащий анодом. Электроды К и А через потенциометр Р подключены к источнику напряжения. Напряжение между электродами (анодное напряжение) измеряют вольтметром V, ток в цепи — гальванометром G.

Если пластину К не освещать, ток в цепи отсутствует, так как вакуумный промежуток между катодом и анодом тока не проводит. Если же исследуемую пластину осветить через окно С, то свет вырвет из пластины электроны (их называют фотоэлектронами). Под действием электрического поля фотоэлектроны движутся к аноду А, замыкая цепь. Гальванометр показывает наличие тока (его называют фототоком). С помощью потенциометра Р можно менять значение и знак анодного напряжения. Следует иметь в виду, что ток в цепи возникает и в том случае, когда анодное напряжение равно нулю, и даже при небольшом задерживающем отрицательном напряжении. Это объясняется тем, что вылетающие из катода фотоэлектроны обладают кинетической энергией, за счет которой совершается работа против сил задерживающего поля.

На рис. 5.41 показана зависимость фототока от анодного напряжения при неизменном световом потоке.

Рис. 5.40

Рис. 5.41

2

При определенной разности потенциалов между электродами все вырванные из катода электроны достигнут анода, через гальванометр пойдет ток, который определяется числом электронов, вырываемых светом с поверхности катода за единицу времени. Этот ток называют током насыщения /н. Если поле тормозит электроны, то при некотором значении U3 электроны перестают достигать анода и ток в цепи прекращается. По значению U3 можно определить максимальную скорость вылетающих электронов.

Пусть vmax — максимальная скорость вылетающих электронов, т и е — его масса и заряд. Следовательно, максимальная кинетическая энергия таких электронов равна mv*ax/2, и она полностью затрачивается на работу против сил

тормозящего поля, т е. mv^/l =eU2. Определив экспериментально значение С/з, найдем скорость этих электронов:

В результате многочисленных опытов Столетов установил следующие законы фотоэффекта:

  • 1. Сила тока насыщения /,„ возникающая при освещенности монохроматическим светом, пропорциональна световому потоку, падающему на катод: /„ = кФе.
  • 2. Скорость фотоэлектронов увеличивается с ростом частоты (с уменьшением длины волны) падающего света и не зависит от интенсивности светового потока.
  • 3. Независимо от интенсивности светового потока, фотоэффект начинается только при определенной для данного материала минимальной частоте (максимальной длине волны) света, называемой красной границей фотоэффекта.

Чтобы объяснить эти загадочные закономерности фотоэффекта, Эйнштейн использовал гипотезу Планка, говорящую о том, что электромагнитное излучение представляет собой не непрерывную волну, а поток отдельных частиц — фотонов.

Эйнштейн предположил, что явление фотоэлектрического эффекта служит подтверждением дискретности света. Ведь если дискретность природы света проявляется при его поглощении и испускании, то она должна сохранятся и когда излучение распространяется в пространстве. Эйнштейн также показал, что любое монохроматическое излучение представляет собой совокупность квантов, энергия которых пропорциональна частоте. Коэффициентом пропорциональности является постоянная Планка. Это предположение дало возможность объяснить фотоэффект. Энергия кванта hv, падающего на вещество, расходуется на работу А вырывания электрона из вещества и на сообщение ему максимальной кинетической энергии. Электрон, находящийся внутри вещества, поглотив квант света, либо покинет вещество, либо останется внутри него. Это зависит от того, что больше: энергия поглощенного кванта света или работа выхода электрона. Если энергия поглощенного кванта больше работы выхода, то максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна разности энергии поглощенного фотона и работы выхода:

Выражение (т.5.6) носит название уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна является частным случаем закона сохранения и превращения энергии применительно к явлению фотоэффекта. Работа выхода зависит от природы вещества и может быть найдена в соответствующем справочном материале.

С уменьшением частоты падающего света (увеличением длины волны) энергия падающих квантов (фотонов) при некоторой частоте vK (или длине волны А,к) может стать равной работе выхода, т.е. hvK = A или hc/XK=A, откуда

Граничная длина волны Хк падающего света, при котором возникает фотоэффект, носит название красной границы фотоэффекта.

  • [1] Александр Григорьевич Столетов (1839-1896)— русский физик, заслуженный профессорМосковского университета. Получил кривую намагничивания железа (1872), систематическиисследовал внешний фотоэффект (1888-1890), открыл первый закон фотоэффекта. Исследовалгазовый разряд, критическое состояние и другие явления. Основал физическую лабораторию вМосковском университете.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >