Основні закони зовнішнього фотоефекту

Теоретичні відомості

Визначення сталої Планка за допомогою фотоелемента

Лабораторна робота 63

Контрольні питання та завдання

1. Назвіть і охарактеризуйте види фотоефекту.

2. Які закономірності зовнішнього фотоефекту?

3. Яка будова і дія фотоелементу?

4. Рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.

5. Які особливості внутрішнього фотоефекту?

6. В чому полягає вентильний фотоефект?

7. Сформулюйте перший закон Столєтова.

8. Сформулюйте другий закон Столєтова.

9. Що таке червона границя фотоефекту.

10. Як пояснити явище фотоефекту.

Прилади та обладнання: вакуумний фотоелемент СЦВ – 4, світлофільтри, освітлювальна лампа, дзеркальний гальванометр, потенціометр, джерело струму на 2В, вольтметр на 3 В, вимикач.

Існуюча до 1900 року електромагнітна теорія світла не могла пояснити деякі, явища випромінювання світла. Вперше вдалося це зробити Планку, який висунув гіпотезу, згідно з якою електромагнітна енергія світла випромінюється порціями – квантами.

Енергія кванта світла Е пропорційна частоті випромінювання. Коефіцієнт пропорційності являє собою деяку сталу h, яка має розмірність енергія–час. Гіпотеза Планка про випромінювання світла квантами енергії підтвердилася багаторазовими дослідами і знайшла широке використання при поясненні процесів усередині атомів і розвитку нової теорії світла. Тому дуже важливо було встановити точне чисельне значення сталої Планка h.

До рахунку явищ, в яких спостерігаються корпускулярні властивості світла і за допомогою яких можна встановити чисельне значення h, відноситься фотоефект. Явище фотоефекту полягає у взаємодії світла з речовиною, в результаті якої змінюються електричні властивості речовини. Розрізняють зовнішній і внутрішній фотоефект. Явище зовнішнього фотоефекту – випускання поверхнею металу електронів у зовнішній простір під дією світла – було вивчено О.Г.Столєтовим. У теперішній час на основі зовнішнього і внутрішнього фотоефекту створюється багато приймачів випромінювання, перетворюючих світловий сигнал в електричний, які називаються фотоелементами. Фотоелементи використовують в техніці і наукових дослідах.

1. Число фотоелектронів, що вилітають за одиницю часу з одиниці площі поверхні при визначеній частоті світла, пропорційно інтенсивності світла, яке падає на поверхню.

2. Швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності випромінювання. Тобто енергія фотоелектронів не буде залежати від інтенсивності.

3. Швидкість фотоелектронів зростає із збільшенням частоти світла

Якщо освітлювати поверхню тіла променями з різними частотами коливань, поступово переходячи від більших частот до менших, то фотоефект перестане спостерігатися при деякій частоті. Відповідна довжина хвилі отримала назву червоної межі фотоефекту. Закономірності у фотоефекті можуть бути пояснені тільки за допомогою гіпотези Планка. Ейнштейн запропонував, що світло частоти v складається з окремих частин – фотонів, кожний з яких несе енергію

(1)

де – стала Планка. При цьому світло не тільки випромінюється, а й поглинається квантами.

Інтенсивність джерела струму визначається числом фотонів, які випромінюються за одиницю часу з одиниці площі поверхні джерела. Кожний фотон у явищі фотоефекту віддає свою енергію на збудження електрона. Ймовірність одночасного поглинання одним електроном декількох фотонів мала. При освітлюванні металу світлом з частотою v енергія кожного фотона витрачається на такі процеси:

– роботу виходу електрона з поверхні речовини (робота виходу різна для різних металів);

– кінетичну енергію електрона, що вилетів: , тобто

(2)

Це і є рівняння Ейнштейна для фотоефекту. Із формули (2) робимо висновок, що при частоті , при якій енергія фотона дорівнює роботі виходу електрона його кінетична енергія буде рівна нулю, а значить, фотоефект спостерігатися не буде. Частота і буде визначати червону межу фотоефекту (для різних речовин вона різна).

На явищі зовнішнього фотоефекту оснований пристрій вакуумних фотоелементів (рис. 1). На внутрішній поверхні скляного балона знаходиться тонкий шар металу М, який служить катодом. Світло, що падає на катод, вириває з нього фотоелектрони. Металева кулька у балоні А служить анодом, який збирає вирвані світлом електрони. Гальванометр показує наявність фотоструму, якщо до катода і анода під'єднати джерело струму. При освітленні фотоелемента із фотошару вилітають електрони, які під дією електричного поля, утвореного між анодом і катодом, прискорюються і попадають на анод. Сила фотоструму при освітленні монохроматичним світлом постійної інтенсивності. Залежить від прикладеної різниці потенціалів між катодом і анодом. Ця залежність (вольт–амперна характеристика) показана на рис. 2. Вона має три особливості:

1) при збільшенні прискорюючої різниці потенціалів до деякого значення сила фотоструму досягає насичення, тобто всі електрони, які вилетіли із катода, потрапляють на анод;

2) характеристика фотоструму не обривається відразу, а поступово спадає до нуля, і, звичайно, швидкості електронів, що вилітають різні;

3) наявність фотоструму при затримуючому потенціалі свідчить про те, що електрони вириваються світлом з металу з деякими початковими швидкостями. Існує таке значення затримуючої різниці потенціалу, при якому фотострум припиняється, тобто електрони вже не досягають анода. Це трапляється тоді, коли робота затримуючого поля стає рівною початковій кінетичній енергії електронів, що вилітають з металу з найбільшою швидкістю :

(3)

де – заряд електрона; – маса електрона.

Цей дослідний факт використовується дня визначення величний сталої Планка .

Дата добавления: 2015-05-24