5.3. Схема передачи энергии веществу посредством волн (a) и частиц (б);

E — энергия, подводимая к веществу

Если признать корпускулярную природу света (соответствующие частицы называются фотонами), то нам будет нетрудно объяснить некоторые из обсуждавшихся выше экспериментальных результатов. Мгновенное испускание электронов является естественным следствием существования тока при любых значениях светового потока. Зависимость кинетической энергии электронов от частоты света проясняет нам смысл понятия энергии частицы или фотона.

Экспериментальные данные указывают, что энергия фотона линейно связана с частотой света. Наклон этой прямой, одинаковый для всех веществ (см. рис. 5.2б), обладающих способностью к фотоэлектронной эмиссии, приводит к соотношению

, (5.2) где h — постоянная Планка, экспериментальное значение, которой равно 6,62•10^-34 Дж•с. Из этого соотношения, совершенно неожиданного с точки зрения классической физики, следует, что должна существовать пороговая частота, меньше которой сообщаемой электрону энергии недостаточно для того, чтобы он мог вылететь из металла. Энергия, обеспечивающая вылет электрона, соответствует работе выхода для данного вещества, то есть

(5.3)

Выбрав значение v из диапазона частот видимого света, отвечающее, скажем, λ=0,7 мкм (700 нм), мы обнаружим, что соответствующая работа выхода равна 2 эВ. Отсюда непосредственно следует, почему только вещества с низкой работой выхода могут приводить к фотоэлектронной эмиссии. Диапазон длин волн видимого света простирается приблизительно от λ=0,7 мкм для красного света до λ.=0,4 мкм (400 нм) для фиолетового света. Это соответствует диапазону энергий фотона от 1,7 эВ для красного света до 3,1 эВ для фиолетового света.

Любые экспериментальные данные, относящиеся к фотоэффекту, легко поддаются интерпретации, если считать, что свет представляет собой поток фотонов с энергией E = hv. Итак, для выхода из металла электрон должен совершить работу выхода А. В результате погло­щения фотона электрон приобретает энергию hν. Если hν≥A, то электрон может совершить работу выхода и вырваться из металла. В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинети­ческая энергия фотоэлектрона равна

. (5.4)

Это уравнение впервые было предложено Эйнштейном и называ­ется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Уравнение (5.3) получено в предположении, что электроны в металле движутся независимо друг от друга, т. е. между ними отсутствуют силы взаимодействия.

Обобщив все экспериментальные данные по фотоэффекту, можно сформулировать следующие основные законы внеш­него фотоэффекта:

I. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяет­ся частотой света и не зависит от его интенсивности.

II. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота v₀ света, при которой еще возможен внеш­ний фотоэффект. Величина v₀ зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

III. Число фотоэлектронов n, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света (фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности Е катода).