24. Фотоэффект. Формула Эйнштейна для фотоэффекта.
Суть явления фотоэффекта заключается в том, что при освещении металлической поверхности пучком света из металла при определенных условиях вылетают электроны (испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения).
Фотоэффект можно наблюдать на установке, изображенной на рис. В откачанной вакуумной трубке имеется кварцевое окошко Kв для освещения одного из электродов (катода К) пучком света. На электроды подается напряжение от батареи ε. Его величина U изменяется с помощью реостата П и измеряется вольтметром V. При освещении катода из него вылетают электроны, которые начинают двигаться к аноду А, если он находится под более высоким напряжением, чем катод. Достигшие анода электроны создают в цепи ток, называемый фототоком. Фототок регистрируется микроамперметром mА.
Покажем зависимость силы фототока I от напряжения U между анодом и катодом для разной освещенности катодов Ф1 и Ф2. Как видно из рисунка, при напряжении Uн, которое называется напряжением насыщения, сила фототока достигает максимального значения (Iн1 или Iн2). Это максимальное значение фототока Iн называется фототоком насыщения и определяется таким значением U ≥ Uн, при котором все электроны, покинувшие катод под действием света, достигают анода.
Наличие фототока при изменении полярности между К и А (область значений U < 0) объясняется тем, что вырванные из катода электроны имеют кинетическую энергию, достаточную для прохождения пространства между катодом и анодом в задерживающем электрическом поле. Электроны обладают максимальной кинетической энергией, измерить которую можно, подав на анод задерживающее напряжение Uз, полностью тормозящее электроны (это напряжение, которое нужно приложить между катодом и анодом фотоэлемента, чтобы прекратился фототок). Из закона сохранения энергии следует:
Законы внешнего фотоэффекта.
1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты (длины волны) падающего на катод света и не зависит от освещенности катода (интенсивности света).
2. Число электронов, которые вырываются светом из катода в единицу времени, и сила фототока насыщения прямо пропорциональны освещенности катода (интенсивности света).
3. Для каждого вещества существует такая минимальная частота света ν0 (или наибольшая длина волны λ0 = с/ν0), ниже которой не возможен внешний фотоэффект. Значения этих величин называются красной границей фотоэффекта.
Кинетическая энергия вырываемого из металла электрона должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, так как с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит I закону фотоэффекта. Так как, по волновой теории, энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит III закону фотоэффекта.
Для выхода из металла электрон должен совершить некоторую работу, называемую работой выхода Авых, оставшаяся часть энергии фотона переходит в кинетическую энергию электрона.
Уравнение внешнего фотоэффекта Эйнштейна есть закон сохранения энергии при фотоэффекте:
Это уравнение объясняет все законы фотоэффекта. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов):
С уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается, и при некоторой частоте υ = υ0 их кинетическая энергия становится равной нулю, т. е. фотоэффект прекращается. Из уравнения Эйнштейна следует, что пороговая частота (красная граница фотоэффекта) равна Пороговая частота зависит лишь от работы выхода электрона, т. е. от химической природы вещества и состояния его поверхности.