оптика / Фотоэффект

Фотоэффект (ФЭ).

Облучение светом веществ влияет на протекание электрич. тока. Различают внешн. и внутр. фотоэффект. Внешним ФЭ называется явление выбивания электронов из вещества под действием падающего света. При внутр. ФЭ происходит увелич. числа носителей тока в в-ве без выхода их за пределы вещества, при этом уменьш. электрич. сопротивл. тела.

Основной вклад в изучение ФЭ принадлежит Герцу и Столетову. Опыт Столетова: фотокатод К соединили с "-" полюсом батареи Б и "+" полюс соединили с сеткой С. Получился плоский конденсатор, который для защиты от внешних воздействий помещали в стекл. вакуум. сосуд.

При освещении пластины k источником D в цепи возникает ток. Если освещали сетку С, то тока не было, значит из вещества выбиваются именно электроны.

Прямое доказательство это получило в опыте Иоффе: (метод взвешенной пылинки). Электроды А и В помещают в стекл. сосуд С, соединенный с пластинками плоского конденсатора а и b, который помещен в ящик (для защиты от внешних воздействий). Ящик снабжен 2-мя окнами N и M. Через N пространство между а и b освещается УФ, через М – наблюдение в микроскоп.

Вследствие разряда между А и В происходило распыление Ме электродов и пылинки попадали между пластинками конденса. Из-за трения о воздух они заряжались и на заряж. пылинку начинало действовать эл. поле Подбором разных потенциалов пылинку можно было уравновесить: E1q=mg; E1=U1/d. При освещении пылинки УФ лучами она начинала смещаться к отриц. пластинке. Подбором ∆φ можно было её снова уравновесить: E2(q- q’)=mg, E2=U2/d. q’ – величина, на которую изменится заряд пылинки. Зная U1 и U2 можно рассчитать q’. Расчет показал, что q’≈e. Так было доказано, что под действием облучения Ме теряет именно электроны.

Применение ФЭ.: регистрация измерения светового потока при преобразовании световой энергии в электрическую, телевидение и др.

Законы ФЭ.

Удобно использовать ВАХ, т.е. зависимость силы тока катодом и анодом от разности потенциалов при постоянном световом потоке.

Особенности: 1) U>0 поле ускоряет электроны (bcd). При некотором U>U1 Jф=Jн (bBCD) – ток насыщения, все фотоэлектроны достигают анода. Столетов доказал, что Jн~Ф, Jн=en _ n~Ф, где n – кол-во электронов, вырываемых с площади поверхности в единицу времени.

2)U=0, Jф≠0. Фотоэлектроны покидают вещество с V0 и ε0 и способны достичь анода без внешнего поля.

3)U<0 поле задерживает электроны. При U=UЗ фототок Jф=0 (аb). Даже самые быстрые электроны задерживаются полем; mVmax2/2=eUз. Величина задерживающей разности потенциалов не зависит от интенсивности падающего светового потока, но является линейно зависимой от частоты светового потока.

Uз=kν–V0, k,V0–const, зависящие от природы вещества и состояния его поверхности; mVmax2/2=ekν–eV0 имеет смысл когда ekν-eV0≥0, тогда Vmax≥0. При V0=0 V=V0/k, фототок прекращается.

λ0=с/ν0=cV0/k - красная границы ФЭ – максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще возможен. При λ>λ0 ФЭ нет.

1) Количество фотоэлектронов, вырываемых в единицу времени с поверхности вещества, пропорционально интенсивности падающего светового потока. 2) максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего светового потока. 3) скорость фотоэлектрона определяется частотой падающего светового потока. 4) для каждого вещества существует своя красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота или максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще возможен.

Квантовая теория ФЭ Эйнштейна.

Явление ФЭ не удается объяснить с точки зрения волновых представлений о природе света. Объяснение было дано в 1905г. Э., который развивал идеи Планка о дискретности поглощения энергии телами. Предположим, что распространение световых волн в пространстве, и излучение энергии телами происходит дискретно, в виде порций – квантов ЭМ излучения.

Квант ЭМ излучения, падает на в-во, взаимодействует с электроном вещества, и поглощается этим электроном. Т.е. энергия кванта переходит в энергию электрона. Если энергия поглощенного кванта велика, то может произойти отрыв электрона от атома, т.е. ионизация атома. При этом будет совершена работа по ионизации атома. Если энергии кванта достаточно, то может произойти выход электрона за пределы вещества, и будет совершена работа выхода электрона. Остаток энергии кванта будет определять кинетич. энергию электрона за пределами вещества.

mv2/2=hν-Aион-Aвых – уравнение Э. для ФЭ на любом веществе. Для Ме (в единице объема много свободных

электронов, Аион=0) уравнение будет: hν=Авых+mv2/2.

Из уравнения Э. вытекают все основные законы фотоэффекта. Действительно, каждый квант падающей на вещество, взаимодействует с одним электроном вещества. Чем больше квантов падает на вещество, тем больше выбивается электронов излучающего вещества. Количество падающих квантов на S есть интенсивность падающего излучения; Nhν/S=J;

1) _ кол-во фотоэлектронов, выбиваемых веществом ~ интенсивности излучения. 2) скорость фотоэлектрона не зависит от интенсивности ν≠f(J). 3) v=f(ν); 4) hν≥Авых – фотоэффект возможен, _ ν0=Авых/h, λ0=hc/Aвых. Из ур-ния Э. также вытек. существ. кр. границы.

Давление света.

Явление давления света было открыто Лебедевым в 1900г. на твердых веществах и в 1907-1908гг на газах.

Установка для наблюдения давления света представляет собой установку на сверхчувствительных крутильных весах. Подвижная часть весов - легкий каркас с укрепленными на нем тонкими Ме фольгами, одно из которых зеркальное p=1, а другое зачернено p=0. Каркас симметрично закрепляется на Все это помещается в вакуумированный стеклянный сосуд.

Крылышки попеременно освещались светом от вольтовой дуги, а световое давление определялось по углу закручивания нити, на конце которой закреплялось зеркало, отбрасывающее зайчик на шкалу. Опыт показал, что давление, производимое светом на зеркальное крылышко, оказалось в 2 раза больше, чем на зачерненное крылышко. Попробуем рассчитать: пусть на поверхность падает N потоков. Часть из них отражается (их число ρN), часть поглощается (их число (1-ρ)N). Импульс одного фотона ρ=nν/c. Импульс силы давления, производимой на поверхность, равен суммарному изменению импульсов всех фотонов: F=[hν/ –(-hν/c)]Nρ+(1+ρ)Nhν/c, P=F/S=Nhν(1+ρ)/cS=J(1+ρ)/c=ω(1+ρ);

J/c=ω – объемная плотность энергии. Эти результаты совпадают с полученными в эксперименте. _ Фотоны обладают свойствами частиц, т.е. импульсом.