Теоретическое введение

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испуска­ние электронов металлов под действием света.

Это явление было открыто в 1887 г. Г. Герцем. Подробное исследование фото­эффекта было проведено в 1888-1889 гг. А.Г. Столетовым, который установил следующие закономерности:

1. Испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак (впоследствии было установлено, что эти заряды являются электронами).

2. Количество зарядов, испускаемых металлом (число фотоэлектронов), пропорционально интенсивности света.

Для фототока насыщения имеет место следующее состояние, получившее на­звание законом Столетова:

J_нас = кФ

где J_нас – фототок насыщения;

Ф – световой поток;

к – коэффициент пропорциональности.

3. Скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света.

4. С изменением длины волны света скорость фотоэлектронов меняется. При некоторой длине волны, обозначаемой _к, скорость фотоэлектронов равна нулю. Эта длина волны разграничивает области излучения, способного вызывать фотоэффект, от излучения, не создающего фотоэффекта.

Длина волны _к называется "красной границей" фотоэффекта. Термин "красная граница" подчеркивает, что фотоэффект ограничен со стороны длинно­волновой части спектра. Свет, длина волны которого больше _к, не вызывает фо­тоэффекта.

Наличие "красной границы" является одной из принципиальных особенностей фотоэлектрического эффекта.

В закономерностях фотоэффекта отчетливо проявляются квантовые свойства света. Согласно квантовой теории свет испускается, распространяется и поглощается отдельными "порциями" (квантами). Световые кванты получили название фотонов.

Основной характеристикой фотонов является энергия. Энергия фотона  определяется его частотой и или длиной волны  = и рассчитывается по формуле:

E = hν = , (2)

где h = 6,62 * 10^-34 Дж. сек. – постоянная Планка;

с = 3 * 10⁸ м/сек – скорость света в вакууме.

Таким образом, световой поток, характеризующийся ранее как монохроматическая волна с частотой ν, по квантовым представлениям является потоком фо­тонов, энергия которых Е = hν,.

Согласно теории относительности существует неразрывная связь между мас­сой m и энергией Е частицы:

E = mc² (3)

Подставив значение Е (2), получим выражение для массы фотона:

m = = (4)

Характерной особенностью фотона является то, что масса покоя то фотона равна нулю, в отличие от элементарных частиц вещества (электрон, протон, ней­рон), которые обладают не равной нулю массой покоя и могут находиться в со­стоянии покоя. Фотон не имеет массы покоя и может существовать только двига­ясь со скоростью с.

Так как фотон движется со скоростью с, то он обладает импульсом равным

P = mc = (5)

Направление импульса совпадает с направлением распространения света.

В 1905 г. А. Эйнштейн теоретически показал, что на основе квантовых пред­ставлений о свете могут быть объяснены все закономерности фотоэлектрического эффекта.

При фотоэффекте осуществляется взаимодействие световых квантов (фото­нов) с электронами вещества. Один электрон взаимодействует только с одним фо­тоном. При этом энергия фотона Е = hν передается электрону. Часть этой энер­гии, равная работе выхода А, затрачивается на вылет электрона из металла. Оста­ток энергии остается у электрона, вылетевшего из металла, в виде кинетической энергии.

Следовательно, при фотоэффекте выполняется соотношение:

hν = A + (6)

Соотношение (6) называется, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна находится в полном согласии со всеми эксперимен­тальными данными. По Эйнштейну "красная границ" фотоэффекта должна обязательно существовать. "Красная граница" находится из условия = 0.

Следовательно:

hνк = A (7)

или

= А (8)

т.е. "красная граница" соответствует свету, у которого энергия фотонов равна ра­боте выхода электрона из металла. Поэтому свет частоты ν < ν_к (или соответ­ственно  >к ) не может вызвать фотоэффект.

Фотоэффект имеет место только в том случае, если ν < ν_к или  >к.

Теория Эйнштейна объясняет также пропорциональность числа фотоэлектро­нов интенсивности света. Действительно, интенсивность света определяется чис­лом фотонов, падающих на единицу поверхности металла в единицу времени, а число освобожденных фотоэлектронов пропорционально числу падающих фото­нов.

Таким образом, анализ характеристик свойств фотоэффекта на основе кванто­вой теории света подтверждает ее справедливость.

Фотоэффект находит широкое техническое применение. Он используется в приборах, называемых фотоэлементами. Фотоэлемент, в котором используется внешний фотоэффект, представляет собой стеклянный баллон, на одну половину внутренней поверхности которого наносится тонкий слой светочувствительного вещества. В зависимости от того, для какой спектральной области предназначен фотоэлемент, применяют серебряные, цезиевые, калиевые и другие слои. Све­точувствительный слой является фотокатодом. Анодом служит металлический виток или сетка, которые помещаются в центре баллона.

В баллоне фотоэлемента создается вакуум (вакуумные фотоэлементы) или баллон наполняется инертным газом (Аr, Не, Nе) при давлении от 0,01 до 0,1 мм рт. ст. (газонаполненные фотоэлементы).

Если на катод фотоэлемента направить пучок света и между катодом и анодом создать разность потенциалов, то в цепи возникает ток, называемый фототоком.