Внешний фотоэффект и его законы. Квантовая теория фотоэффекта

Внешний фотоэффект – явление испускания электронов веществом под действием света.

Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами; электрический ток, возникающий при упорядоченном движении фотоэлектронов, называется фототоком.

Явление внешнего фотоэффекта было открыто Г. Герцем в 1887г. Он заметил, что проскакивание искры между шариками разрядника значительно облегчается, если один из шариков осветить УФ лучами.

Фундаментальные исследования фотоэффекта проведены русским ученым А.Г. Столетовым в 1888-1889 г.г.

Принципиальная схема установки для изучения внешнего фотоэффекта показана на рис. 4. Свет падает через окно на поверхности катода К, находящегося внутри эвакуированной трубки. Вольтамперная характеристика фотоэффекта – зависимость фототока от напряжения между катодом К и анодом А – приведена на рис. 5. Две кривые соответствуют двум различным освещенностям катода (т.е. двум значениям светового потока , падающего на катод) при одинаковой частоте света.

Максимальное значение фототока – ток насыщения I_н - соответствует такому значению напряжения, при котором все электроны, выбиваемые из катода, достигают анода

I_н = е× п,

где п – число фотоэлектронов, испускаемых катодом за 1с.

При U=0 I>0, т.е. электроны достигают анода без внешнего поля, за счет своей кинетической энергии. Чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U_з. При этом ни один электрон не сможет преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Следовательно,

, (3)

где т =9,1×10^-31кг – масса электрона.

Опытным путем были установлены законы фотоэффекта, которые не могли быть объяснены в рамках волновой теории света.

А. Эйнштейн в 1905г. показал, что закономерности фотоэффекта можно объяснить на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта.

Согласно Эйнштейну, свет частотой n не только испускается, как предполагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых .

Квант электромагнитного излучения называется фотоном.

Однофотонный фотоэффект – это фотоэффект, при котором электрон получает энергию от одного фотона. Согласно Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном.

Энергия падающего фотона hn расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение фотоэлектрону кинетической энергии.

Если электрон освобождается светом не у самой поверхности, а на некоторой глубине, то часть энергии может быть потеряна вследствие случайных столкновений в веществе, остаток энергии образует Е_кин фотоэлектрона.

По закону сохранения энергии

. (4)

Выражение (4) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Законы фотоэффекта.

1. Закон Столетова: ток насыщения пропорционален энергетической освещенности катода. Возможна другая формулировка этого закона: сила тока насыщения пропорциональна световому потоку:

I_н=gФ,

где g – чувствительность катода.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном, поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность квантов. Световой поток Ф определяется количеством квантов света, падающих на поверхность в единицу времени. В соответствии с этим, ток насыщения I_н пропорционален падающему световому потоку:

I_н~Ф.

Поскольку световой поток, падающий на поверхность , равен произведению освещенности на площадь этой поверхности,

~.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности:

.

3. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота n₀, при которой возникает фотоэффект (зависит от вещества и состояния поверхности катода).

. (5)

Т.к. ,

где - максимальная длина волны, при которой еще возможен фотоэффект, также называемая «красной границей».

Используя соотношения (3) и (5), выражение (4) можно записать в виде

.

Фотоэффект широко используется в науке и технике для:

1) регистрации и измерения световых потоков;

2) непосредственного преобразования энергии света в эл. энергию;

3) преобразования световых сигналов в электрические.

Устройства, действие которых основано на использовании фотоэффекта, называются фотоэлементами.

1. Вакуумный фотоэлемент – представляет собой эвакуированный стеклянный баллон, часть внутренней поверхности которого покрыта слоем металла (фотокатод). Анод – металлическое кольцо или сетка.

2. Для увеличения чувствительности используют фотоэлементы, наполненные инертным газом, обычно аргоном при р=0,01-0,1 мм.рт.ст..

3. Для усиления сигнала применяются электронные умножители, использующие явление вторичной электронной эмиссии.

Дата добавления: 2014-01-04