Внешний фотоэффект

Фотоэлектрический эффект

(Внешний фотоэффект. Вольт-амперная характеристика и законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Энергия и импульс фотона. Применение фотоэффекта. Корпускулярно-волновой дуализм света.)

Фотоэлектрическим эффектом, или просто фотоэффектом, называется испускание электронов веществом под действием света.

Но это было установлено много позже, а в начале события развивались следующим образом.

В 1887 г Г.Герц заметил, что проскакивание искры между цинковыми шариками разрядника значительно облегчается, если один из шариков облучать ультрафиолетовым светом.

В 1889 – 1890 гг. это явление тщательно исследовал А.Г.Столетов. При этом оно установил следующее.

1. Под действием света вещество теряет только отрицательный заряд.

2. Наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи.

3. Величина испущенного телом заряда пропорциональна поглощенной им световой энергии.

4. Это явление практически безинерционно.

Третий пункт обычно носит название закона Столетова . Здесь ‑ ток в цепи разрядника, ‑ световой поток.

В 1898 г. Ленард и Томсон измерили удельный заряд отрицательных частиц, вырванных из цинка, по отклонению их в электрических и магнитных полях и установили, что ими являются электроны.

Явление вырывания электронов из металла под действием света наружу впоследствии получило название внешнего фотоэффекта.

Дальнейшее исследование фотоэффекта было связано с техническими усовершенствованиями.

Если в первых опытах Г.Герца между цинковыми шариками необходим был газ (для создания тока разряда за счет ионизации газа), то для самого фотоэффекта газ был не нужен и просто мешал (т.к. ток возникал за счет электронов, вырываемых из самого металла).

Поэтому анод и катод стали помещать в стеклянный баллон, в котором создавался глубокий вакуум. Но на само явление фотоэффекта продолжали еще оказывать мешающее влияние состояния поверхности излучающего электрода. Для устранения этого затруднения Миликен разработал способ очистки поверхности электрода находящегося в вакууме.

Теперь можно было проводить дальнейшее исследование фотоэффекта (см. рис. 1). Здесь большую роль сыграло исследование зависимости фототока от напряжения при постоянной освещенности, т.е. вольтамперная характеристика. Типичный вид вольтамперной характеристики приведен на рис. 2.

Даже при не очень большом анодном напряжении, порядка нескольких десятков вольт, фототок достигает насыщения ‑ . Т.е. все электроны, вырванные светом ускоряются полем и достигают анода.

Количество электронов зависит от светового потока, поэтому для разных световых потоков ток насыщения оказался разным.

Далее, оказалось, что фототок не равен нулю даже тогда, когда ускоряющая разность потенциалов была равна нулю. Следовательно, электроны, вылетая из металла, обладают некоторой начальной скоростью. И чтобы ток в цепи отсутствовал, необходимо приложить разность потенциалов обратной полярности, величины .

Таким образом, электрон, вылетая из металла с начальной скоростью , т.е. имея кинетическую энергию , тратит эту энергию движения на приобретение потенциальной энергии в поле ‑ . Если эти энергии равны, то электрон остановится у анода и полетит назад. При этом потенциальная энергия поля будет снова переходить в кинетическую энергию.

Следовательно, при условии:

фототок будет равен нулю.

Дальнейшие усилия были направлены на исследование зависимости величины от разных внешних условий.

Здесь необходимо упомянуть работы Лукирского и Прилежаева, которые сконструировали и изготовили сферический фотоэлемент, позволяющий очень точно регистрировать величину .

При исследованиях величины было установлено следующее.

1. от интенсивности света () не зависит.

2. в зависимости от частоты монохроматического света меняется по линейному закону:

где и ‑ константы, причем не зависит от сорта металла, применявшегося для исследования фотоэффекта. График этого закона имеет вид, изображенный на рис. 3.

Из рисунка следует:

Отсюда вытекает, что существует минимальная частота, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Если , то и , т.е. кинетическая энергия фотоэлектрона равна нулю.

Эта частота называется красной границей фотоэффекта.

Все эти опытные законы фотоэффекта противоречат волновым представлениям о свете.

1). Согласно волновой теории, энергия волны (интенсивность) зависит от квадрата амплитуды волны. Следовательно, кинетическая энергия вылетающих электронов должна зависеть от интенсивности падающего света (квадрата амплитуды), а не от частоты падающего света.

2). Также с волновой точки зрения не объяснимо существование красной границы фотоэффекта (какая бы не была интенсивность падающего света, а фотоэффект не наблюдается).

3). Также по-другому должен бы проходить сам фотоэффект. При малых интенсивностях электроны бы накапливали вначале энергию волны, а потом бы происходил процесс отрыва их от атома. В то время как на самом деле, фотоэффект практически безинерционное явление.

Т.е. результаты опытов противоречат классической теории. Для объяснения явления фотоэффекта Эйнштейн применил теорию Планка о квантовом характере излучения. Он предположил, что свет, световая энергия, также и поглощается порциями, квантами света. Причем эти порции-кванты в точности равны квантам энергии Планка:

Электрон получил квант энергии . Далее эта энергия частично расходуется на совершение работы выхода электрона из металла ‑ , либо , где ‑ потенциал выхода. А если осталась еще энергия, то этот остаток будет являться начальной кинетической энергией электрона. Таким образом, Эйнштейн предложил формулу фотоэффекта:

(1)

Т.о. гипотеза квантов сразу объяснила зависимость фотоэффекта от частоты падающего света.

Из формулы Эйнштейна следовало наличие красной границы фотоэффекта , т.е. минимальной энергии кванта, хватающей только на совершение работы выхода:

Далее, если , то электрон, поглотив квант, сразу обладает энергией, достаточной для совершения работы выхода, и обладания начальной скоростью. Т.е. здесь находит объяснение безинерционность фотоэффекта.

Из формулы Эйнштейна вытекает эмпирическая формула для задерживающего напряжения . Действительно, из (2.9) вытекает:

Отсюда ‑ . Или . Следовательно, и действительно не зависит от природы катода, а определяется универсальными константами. Кроме того, отсюда следует, что , т.е. эта константа равна потенциалу выхода для данного катода.

Таким образом, имея экспериментальный график зависимости от , можно найти отношение постоянной Планка к заряду электрона ‑ . И, соответственно, зная заряд электрона рассчитать постоянную Планка.

Дата добавления: 2014-01-11