Лабораторная работа 314 изучение внешнего фотоэффекта

1. Фотоэффект и его законы

В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц во время экспериментов по излучению электромагнитных волн обнаружил интересное явление. Когда он освещал металлический заряженный шар ультрафиолетовыми лучами, заряд шара изменялся. В дальнейшем, было установлено, что металл, облучённый ультрафиолетовым светом, заряжается положительно. При этом оказалось, что фотоэффект безинерционен, т.е. пластина начинает разряжаться сразу после того, как на нее падает свет. В 1888-1890 г. русский ученый Александр Григорьевич Столетов подробно исследовал новое явление и установил его закономерности. В 1899 г. немец Филипп Ленард и англичанин Джозеф Томсон доказали, что падающий на металлическую поверхность свет выбивает из неё отрицательно заряженные частицы. Измерение заряда этих частиц по их отклонению в магнитном поле показало, что они представляют собой электроны. Так было экспериментально доказано, что под действием света металл теряет отрицательно заряженные частицы – электроны.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света (электромагнитного излучения) называют внешним фотоэффектом.

Установка Столетова для наблюдения фотоэффекта изображена на рис.1. Плоский конденсатор, одной из обкладок которого служила медная сетка С, а второй – цинковая пластина D, был включен через гальванометр G в цепь аккумуляторной батареи Б. При освещении отрицательно заряженной пластины D светом от источника S в цепи возникал электрический ток, названный фототоком. Сила фототока была пропорциональна освещенности пластины D. Освещение положительно заряженной обкладки С не приводило к возникновению фототока.

Для более тщательного изучения фотоэффекта пользуются установкой, изображенной на рис.2. В замкнутой колбе находятся два электрода: катод и анод. На катод, покрытый исследуемым металлом, падает свет через окошко закрытое кварцевым стеклом. Из колбы откачан воздух и создан вакуум, который необходим для того, чтобы предотвратить загрязнение поверхности металла, так как оно существенно влияют на эмиссию электронов. Между электродами подается напряжение, которое можно менять. При освещении отрицательно заряженного электрода в цепи возникает ток, который измеряется с помощью амперметра.

Данная установка, называемая вакуумным фотоэлементом, позволяет установить связь между поданным на электроды напряжением и током. Зависимость силы фототока от напряжения называется вольт-амперной характеристикой и имеет вид, изображенный на рис.3.

Оказалось, что сила фототока, во-первых, прямо пропорциональна интенсивности падающего света, а во-вторых, при фиксированной интенсивности облучения она сначала растёт по мере повышения напряжения, но, достигнув определённого значения, уже не увеличивается. Это значение силы тока называется током насыщения.

Объясняется данная зависимость достаточно просто. Под действием света электроны вырываются из металла катода, при этом катод заряжается положительно. Вырванные электроны, притягиваясь к катоду, частично возвращаются в металл, таким образом вблизи катода возникает отpицательно заpяженное облако электронов. ПpиU = 0 большая часть электpонов двигается в пределах облака, но небольшая часть электронов, имеющих большую кинетическую энергию, попадает на анод. Двигаясь по инерции далее, они создают небольшой анодный фототок I₀. Если увеличивать анодное напpяжение, то, вследствие, увеличения сил притяжения электрического поля, все большее число электpонов будет попадать каждую секунду из облака на анод и анодный ток будет pасти. Пpи достаточно сильном электрическом поле облако из электpонов полностью исчезнет так как все электpоны, выpываемые каждую секунду, будут двигаться сразу к аноду - наступит насыщение: дальнейшее усиление поля не пpиведет к увеличению тока. Очевидно, ток насыщения опpеделяется тем количеством электpонов, котоpые выpываются светом каждую секунду из металла.

Если между катодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения U_з анодный ток прекращается. Столетову удалось измерить это напряжение и по его величине рассчитать максимальную кинетическую энергию вырванных светом электронов.