Фотоэффект. Фотон

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 году. К этому времени уже был открыт электрон и стало ясно, что фотоэффект - это вырывание электронов из вещества под действием падающего на него света.

Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 17.2.

В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ. При неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения. На рис. 17.3 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях светового потока Ф, падающего на катод.

При некотором ускоряющем напряжении U> 0 фототок достигает насыщения, все электроны, вылетающие с поверхности катода под действием света, достигают анода. Сила тока насыщения I _н зависит от величины светового потока. При отрицательном напряжении электрическое поле тормозит электроны, летящие к аноду. При определенном, так называемом запирающем напряжении U _з, фототок уменьшается до нуля, т.е. задерживаются все фотоэлектроны, включая самые быстрые. При этом

, (17.2)

где m – масса электрона, e – величина заряда электрона. Из уравнений (1) и (3) получим:

Экспериментальные исследования показали, что имеют место следующие законы внешнего фотоэффекта.

1-й закон. Фототок насыщения I_н пропорционален световому потоку Ф, падающему на поверхность вещества.

2-й закон. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.

3-й закон. Для каждого вещества существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Граничную частоту v ₀ и соответствующую ей длину волны называют красной границей фотоэффекта.

Рассматривая свет как электромагнитную волну, невозможно объяснить эти законы. Пользуясь квантовыми представлениями, можно объяснить явление фотоэффекта и указанные закономерности. Развивая идею Планка о квантовании энергии излучения, Эйнштейн высказал гипотезу о том, что свет не только излучается, но также распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде отдельных порций энергии – квантов электромагнитного излучения (фотонов). Электроны после поглощения фотона получают энергию, достаточную для преодоления сил, удерживающих их в веществе, и вылетают за пределы его поверхности. Вероятность одновременного поглощения двух фотонов одним электроном ничтожно мала и, следовательно, каждый фотоэлектрон получает энергию только одного фотона. Поэтому число фотоэлектронов (фототок насыщения) должно быть пропорционально числу падающих на поверхность фотонов, т.е. пропорционально световому потоку (1-й закон).

Если освещать светом металл, то фотоэффект связан с поглощением фотонов электронами проводимости. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, выражающее закон сохранения энергии при фотоэффекте, имеет вид

, (17.3)

где Е – энергия фотона, A – работа выхода электронов из металла, - максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов. Из уравнения (17.3) очевидно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света (2-й закон). Граничная частота v ₀ (3-й закон) соответствует случаю, когда

откуда . (17.4)

Красная граница фотоэффекта v ₀ различна для различных металлов и, также как и работа выхода A, существенно зависит от состояния поверхности металла. Красная граница фотоэффекта для металлов с малой работой выхода (щелочные металлы) лежит в видимой области спектра.

Из уравнений (17.2), (17.3) и (17.4) получим:

. (17.5)

Видно, что зависимость U _з(v) носит линейный характер (см. рис.17.4). Величина является угловым коэффициентом прямой (17.5), (- А/e) – свободный член, равный координате точки пересечения прямой с осью U _з. Если экспериментально построить график зависимости U _з(v) и измерить величину tgα, то можно вычислить постоянную Планка. По точкам пересечения графика с осями можно определить работу выхода A и красную границу v ₀ фотоэффекта для данного фотоэлемента.

Дата добавления: 2014-01-04