2.4. Фотоелектричний ефект. Дослідження о. Г. Столєтова

Одним із найважливіших проявів взаємодії світла із речовиною, що розкриває квантову природу світла, а також має велике практичне значення, є так званий фотоелектричний ефект (фотоефект). Як відомо, фотоефект є результатом взаємодії фотонів світла з електронами речовини. Зокрема, в конденсованих системах (твердих тілах, рідинах) фотони спричинюють або вилітання електронів за межі тіл (зовнішній фотоефект), або ж перехід їх з однієї енергетичної зони в іншу (внутрішній фотоефект).

Явище фотоефекту відкрив Г. Герц у 1883 р. Він помітив, що електричний розряд між двома цинко­вими кульками відбувається швидше, якшо одну із них освітити ультрафіолетовими променями. Проте фотоефект як самостійне фізичне явище був вивче­ний О. Г. Столєтовим у 1888–1890 рр.

Вже в перших дослідах із зарядженими металевими пластинками О. Г. Столєтов установив, що під впливом падаючих променів світла, переважно ультрафіолетового, тіло втрачає заряд, але тільки тоді, коли воно заряджене негативно; позитивний заряд тіла під дією світла не зменшується.

Досліди, проведені з пластинками різних металів засвідчували, що струм у колі з’являється тільки тоді, коли освітлюється катод; очевидно, носіями струму ставали вивільнені під дією світла електрони катода. Збільшення напруги між катодом і анодом спочатку призводило до збільшення фотоструму в колі (рис. 2.5), але після досягнення деякої напруги величина фотоструму переставала зростати і залишалася незалежною від напруги.

Рис. 2.5

Виникав струм насичення. Подальше збільшення сили струму можна було викликати лише підвищенням інтенсивності світла, що падало на катод. Струм насичення виражають через заряд електрона e і число електронів п, що вивільнюються з катода за одиницю часу:

. (2.26)

Отже, за величиною струму насичення можна було робити висновки про число електронів, що вивільнюються з катода за одиницю часу та про за­лежність їх числа від величини падаючого світлового потоку.

Досліди з чутливим приймачем засвідчили, що потік електронів від освітленого катода досягає анода і без прискорювальної напруги між ними. Щоб звести фотострум до нуля, довелося прикласти до електродів у приладі Столєтова деяку гальмівну напругу U₁ (див. рис. 2.5). Очевидно, електрони, що вивільнилися з катода під дією світла, діставали певну швидкість, яку можна було визначити за ве­личиною гальмівної напруги U₁ а саме:

( 2.27)

де e і m – відповідно заряд і маса електрона.

Дослідження О. Г. Столєтова та інших учених привели до встановлення певних закономірностей фотоефекту.

1. Явище фотоефекту безінерційне, тобто з припиненням освітлення поверхні відразу ж припиняється виділення фотоелектронів; дослідження показали, що час між падінням світлової хвилі і виходом електронів з металу не перевищує 10^-8 с.

2. Число електронів, що вивільнюються світлом за 1 с (або величина фотоструму насичення), прямопропорційне величині світлового потоку, що падає на металеву поверхню але тільки при умові незмінності його спектрального складу.

3. Швидкість вилітаючих фотоелектронів тіла тим більша, чим більша частота хвилі падаючого світла, але вона не залежить від його інтенсивності.

4. Незалежно від інтенсивності світла, фотоефект починається тільки за цілком певної для даного металу мінімальної частоти світла; цю частоту називають «червоною межею» фотоефекту.

Головні закономірності фотоефекту неможливо було узгодити із основними положеннями хвильової теорії світла.