Лекция 6 внешний фотоэффект.

Внешний фотоэлектрический эффект - испускание электронов веществом (металлы, полупроводники, диэлектрики) под действием электромагнитного излучения. Это квантовое явление и его изучение привело к очень важному для науки представлению о световых квантах. Фактически явление фотоэффекта было обнаружено Герцем еще в 1887 году, когда он установил, что проскакивание искры между двумя электродами облегчается ультрафиолетовым облучением. Систематические исследования явления фотоэффекта были проведены Столетовым А.Г. уже год спустя. Основными результатами исследования Столетова были следующие:

а. Безынерционность

б. Наиболее эффективные при фотоэффекте – ультрафиолетовые ( УФ) - лучи

в. Сила фототока прямо пропорциональна увеличению освещенности

г. Под действием света освобождаются отрицательные заряды

(10 лет спустя было доказано, что это электроны. Ленард и Томсон (1898 г.) определили удельный заряд (q/m) освобождаемых светом зарядов по отклонению их в электрических и магнитных полях. Оказалось, что q/m = e/m_e , т.е., вырываемые светом при внешнем фотоэффекте заряженные частицы - это электроны.

Законы фотоэффекта.

Для изучения явления фотоэффекта исследуемое вещество используется в форме катода вакуумной трубки. Свет направляется на катод К и вырывает из него электроны. Фотоэлектроны (электроны, вырванные светом), достигающие анода А, создают фотоэлектрический ток, величина которого исследуется в зависимости от внешних обстоятельств. Если к фотоэлементу напряжение не приложено, то через микроамперметр идет очень слабый ток, создаваемый той частью электронов, которые вылетают из катода точно в направлении анода. Слабое ускоряющее напряжение не соберет еще всех электронов, но при некотором его значении все электроны, выбиваемые из катода, будут попадать на анод – устанавливается ток насыщения.

Для наблюдения внешнего фотоэффекта необходима высокая чистота поверхности катода, поэтому измерения проводятся в высоком вакууме и на свежих поверхностях.

Вольт – амперные характеристики (ВАХ), снятые при различных освещенностях фотокатода имеют вид:

Ускоряющее поле

U₀ – задерживающее напряжение; при таком напряжении даже самые быстрые электроны не достигают анода. Освещенность катода при одинаковой частоте света, вызывающего фотоэффект Е₁< Е₂< Е₃. Ток насыщения соответствует условиям, при которых все освобожденные светом электроны достигают анода, т.е. сила тока насыщения определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени. Пологий ход ВАХ указывает на то, что покидающие катод электроны имеют различные скорости. Обобщая полученные экспериментальные результаты, Столетов установил следующие закономерности:

Законы фотоэффекта (законы Столетова).

1. Сила фототока насыщения пропорциональна световому потоку; при фиксированной частоте число вырываемых электронов (фотоэлектронов) пропорциональна интенсивности света.

2. V_max (максимальная скорость) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а линейно возрастает с частотой .

3. Для каждого вещества есть, так называемая, красная граница фотоэффекта (зависит от химической природы вещества и чистоты поверхности). Свет любой интенсивности с частотой или длиной волны фотоэффекта не вызывает. С точки зрения волновой теории это явление вообще необъяснимо.

Любой фотон, с точки зрения квантовой теории, может произвести фотоэффект, при условии, что его энергии достаточно для удаления электрона из металла. Отсюда следует, что для каждого материала существует своя граница фотоэффекта. Вид вольт-амперной характеристики говорит, что скорости вылетающих электронов различны и для задержания самых быстрых электронов необходимо приложить некоторую «задерживающую» разность потенциалов U_зад (на ВАХ обозначена как U₀). Тогда для самых быстрых электронов должно выполняться соотношение: . Различие в скоростях электронов объясняется тем, что светом могут вырываться электроны как с поверхности вещества, так и из некоторой глубины. Кроме того, даже электронам самого поверхностного слоя необходимо преодолеть поверхностный барьер, затратить энергию на «работу выхода» с поверхности. Если энергия фотона больше работы выхода, то ее излишек идет на кинетическую энергию электрона. Таким образом, чтобы фотоэлектрон покинул металл с некоторой скоростью, необходимо придать ему энергию . А - работа выхода электрона – работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла в вакуум. Тщательные исследования показали, что эта энергия вырванных светом электронов (фотоэлектронов) не зависит ни от интенсивности падающего света, ни от температуры катода, а однозначно определяется частотой падающего монохроматического излучения. Причем с ростом частоты падающего света эта энергия увеличивается. Работу выхода (А) принято выражать не в джоулях (Дж), а в электронвольтах (эВ). - это энергия, которую приобретает электрон, ускоренный разностью потенциалов 1В.