2. Фотоефект

Уперше явище фотоефекту, тобто ефекту, який справляють фотони (потік світла) на метали, було помічено Герцом (1887). Експеримент показав, що УФ-промені стимулюють проскакування іскри між кульками електророзрядника.

Світло

У дослідах Столетова (1888-89) використовувалась установка, зображена на Рис. 2.2.3.

Рис. 2.2.3

У колі конденсатора К з напівпрозорою пластиною і гальванометра Г, під'єднаного до батареї Б, струм з’являвся у тому випадку, коли одна з пластин конденсатора опромінювалась світлом. Тобто світло «з’єднувало» розірване коло постійного струму. З досліду можна було зробити висновки:

а) найбільшу дію справляють УФ-промені;

б) сила струму І через гальванометр Г зростає зі збільшенням освітленості пластини;

в) знак носіїв струму - від’ємний.

Лише через 10 років було встановлено, що носіями струму у цьому досліді були електрони.

Ленардом і іншими дослідниками експеримент по вивченню закономірностей фотоефекту був удосконалений. Схематично установку зображено на Рис. 2.2.4.

Рис. 2.2.4

Опромінення катоду К проводилось через кварцову пластину, яка пропускає УФ. Батарея Б під'єднана таким чином, що створюваний нею потенціал анода А є затримуючим. Потенціометр П дає можливість регулювати величину затримуючого потенціалу, який вимірюється вольтметром В. Вольт-амперна характеристика струму I, що фіксується гальванометром Г зображена на Рис. 2.2.5, де I_н - струм насичення, U_з- затримуюча напруга.

Рис. 2.2.5

Подолати затримуючу від’ємну напругу можуть лише ті електрони, для яких справедливе співвідношення: 1/2тV_тах=еU_з , тобто ті електрони, кінетична енергія яких не менша за роботу сил Поля еU_з, що гальмує їх рух.

Вольт-амперна характеристика фотоефекту дала можливість з’ясувати, що V_тах електронів не залежить від інтенсивності світла. У 1905 році Ейнштейн до пояснення фотоефекту залучив квантову теорію:

1. природа фотоефекту - квантова;

2. енергія пучка променів монохроматичного світла складається з квантів енергії величиною ʋ ;

3. світло поглинається квантами;

4. електрон, який виривається з поверхні металу, отримує цей квант цілком.

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту:

ɷ ≡ ʋ = 1/2 mV_мах² + А (2.2.4)

де А - робота виходу електронів з металу. Якщо електрон виривається з поверхні метану, то робота А буде мінімальною (у таблиці занесене саме таке значення А), у такому разі кінетична енергія вирваного електрона 1/2 mVмах² буде максимальною для данного кванта енергією ʋ. Рівняння Ейнштейна (2.2.4) фактично є законом збереження енергії у фотоефекті.

Фотоефект не відбувається, якщо енергії кванта ʋ недостатньо для виривання електрона:

ʋ А (або ɷ А)

Гранична частота, з якої почнеться фотоефект, визначається рівнянням:

( ʋ ≡) ɷ₀ = А => ɷ₀= А/

де ɷ₀ - та мінімальна частота, з якою є можливим фотоефект. Їй відповідає гранична (найбільша) довжина хвилі опромінюючого світла λ₀:

λ₀ = (2.2.5)

Для усіх довжин хвиль λ₀, коротших за λ₀ (λ < λ₀), фотоефект буде можливим. Довжина хвилі, яка визначається за (2.2.5) називається червоною межею фотоефекту (λ₀≡ λ_чм).

Висновки з дослідження фотоефекту:

а) струм насичення I_н (Рис. 2.2.5) є пропорційним світловому потоку Ф, що викликає фотоефект;

б) максимальна швидкість фотоелектронів V_тах пропорцій енергії квантів світла, тобто частоті опромінюючого світла.

З появою лазерів, які характеризуються ущільненими світловими потоками, з’явилось поняття багатофотонних процесів у фотоефекті. Рівняння Ейнштейна для багатофотонного ефекту має вигляд:

Νɷ =1/2 mV_мах² + А

де Ν - кількість фотонів, що виривають спільними зусиллями один електрон. У таких процесах червона межа λ_чм просувається у бік довших хвиль:

λ_чм=Ν λ₀