4. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна

Фотоэффект—явление испускания электронов проводником при его облучении– был открыт в конце 19 столетия. Почти одновременно – в 1887-1890 годах – это явление наблюдали Шустер, Герц, Галльвакс, Риги другие исследователи.

Итальянский ученный А. Риги так формулирует суть эффекта:

«Излучения, действуя на металлы, электризуют их положительно» (рис. 10.5).

Рис. 10.5

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта были проведены в лаборатории российского ученого А.Г.Столетова.

0. Опыты Столетова

Принципиальная схема установки Столетова представлена на рис10.6.

Здесь на два электрода – катод (К) и анод (А) – подается постоянное напряжение от источника (Е). Анод выполнен в виде металлической сетки, сквозь которую катод освещается монохроматическим светом.

При освещении катода в цепи возникает электрический ток, который регистрируется чувственным гальванометром (G).

Рис. 10.6

Меняя частоту и интенсивность света, падающего на фотокатод, Столетов экспериментально установил, что сила тока, возникающего под действием света, пропорциональна его интенсивности, то есть освещённости фотокатода. Кроме того, было обнаружено, чтоне всякое излучение приводит к возникновению фототока. Наибольшей эффективностью обладает коротковолновое (ультрафиолетовое) излучение.

0. Эксперименты Ленарда и Томсона

Одновременно с работой А.Г.Столетова проводилось тщательное исследование фотоэффекта американскими учёными Ленардом и Томсоном. В их экспериментальной установке электроды были помещены в глубоко вакуумированный сосуд. Свет на катод падал через специальное окошко, закрытое кварцевым стеклом. Анодное напряжение менялось здесь не только по величине, но могло быть изменено и по знаку.

На рисунке 10.7 представлена принципиальная схема экспериментальной установки Ленарда-Томсона.

Рис. 10.7

Здесь можно было менять:

1. частоту падающего излучения,

2. интенсивность излучения,

3. анодное напряжение.

На рисунке 10.8 приведена типичная вольт-амперная характеристика фотоэлемента: зависимость фототока от величины анодного напряжения.

Рис. 10.8

При этом частота и интенсивность излучения, падающего на катод, остаются постоянными.

Отметим главные особенности этой характеристики:

1. наличие тока насыщения (I_s),

2. анодный ток в цепи не равен нулю, даже при нулевой разности потенциалов между анодом и катодом,

3. для прекращения фототока, необходимо на анод подать отрицательный потенциал относительно катода — «задерживающее (запирающее)напряжение» U_з.

На следующих рисунках представлены вольт-амперные характеристики при различных значениях интенсивности (рис. 10.9) и частоты (рис10. 10), падающего на катод излучении.

Рис. 10.9

Рис. 10.10

Все эти экспериментальные результаты позволили сформулировать следующие законы фотоэффекта:

1. Сила фототока насыщения I_s растёт с увеличением освещённости катода (закон Столетова).

2. Запирающая разность потенциалов U_з увеличивается с ростом частоты излучения, падающего на фотокатод.

3. Существует граничная частота — v_k, ниже которой облучение не приводит к возникновению фотоэффекта. Частота v_k называется красной границей фотоэффекта.

4.Фотоэффект безынерциален.