1.3. Фотоэлектрический эффект

В 1887 г. Генрих Герц (1857 - 1894) обнаружил, что яркость электрической искры, проскакивающей между двумя высоковольтными электродами, увеличивается, если электроды освещать ультрафиолетовым светом. А при освещении ультрафиолетом чистая цинковая пластина приобретает положительный электрический заряд. Объяснить эти эффекты можно, предполагая, что под действием падающего света из вещества вылетают электроны. Это явление получило название фотоэлектрического эффектаилифотоэффекта. Представление о том, что электромагнитные волны могут передавать энергию электронам в металле и что при наборе электроном достаточной энергии он может вылетать за пределы металла, вполне соответствовало классической теории. Однако дальнейшие исследования фотоэффекта обнаружили, что некоторые стороны этого явления расходятся с предсказаниями классической электромагнитной теории.

Оказалось, что некоторые вещества, например, литий, натрий и калий испускают фотоэлектроны при облучении видимым синим светом, однако в большинстве других веществ фотоэффект происходит только при облучении ультрафиолетовым излучением более высокой частоты.

Количественные сведения о фотоэффекте можно получить с помощью установки, изображенной на рис.1.5.

Рис.1.5. Установка для изучения фотоэффекта

Внутри откачанной трубки расположены две пластины AиB, присоединенные к источнику напряжения, в ту же цепь включается прибор для измерения тока. ПластинаAпредставляет собой фотоэмиссионную поверхность. При облучении ультрафиолетовым светом из нее вылетают электроны. ПластинаBслужит для собирания этих электронов.

Один из важных экспериментов при исследовании фотоэффекта состоит в измерении потенциала, который тормозит даже самые быстрые фотоэлектроны, вылетающие из пластины A. Подавая на пластинуBотрицательный потенциал относительно пластиныA, можно затормозить движение электронов отAкBтак, что то ни один электрон не сможет достичь пластиныBи амперметр в цепи покажет нуль.

Таким образом, можно определить потенциал , необходимый для полного запирания тока. Оказалось, что значениевозрастает прямо пропорционально частоте, падающего на пластинуA ультрафиолетового света. Частота, ниже которой фотоэлектроны не появляются, какой бы ни была интенсивность падающего излучения, называется граничной частотой. При любой частоте выше число выбитых фотоэлектронов прямо пропорционально интенсивности ультрафиолетового излучения.

Зависимость от частоты ультрафиолетового излучения иллюстрирует рис.1.6.

Соотношение между иможно записать в виде

, (1.3)

где a– постоянная равная наклону прямой.

Рис.1.6. Зависимость тормозящего потенциала от частоты ультрафиолетового излучения

Для различных материалов получается зависимость в виде прямых с одинаковым наклоном, но с различными значениями граничной частоты , характерной для каждого материала.

Если электрон останавливается при разности потенциалов между пластинами , то его кинетическая энергия; т.е.- максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов

Таким образом, необходимо было объяснить следующие факты:

1. Число вылетевших электронов зависит от интенсивности падающего ультрафиолетового луча, но не зависит от тормозящего напряжения.

2. Максимальная энергия фотоэлектронов определяется только частотой ультрафиолетового излучения.

3. Для каждого вещества существует определенная граничная частота ультрафиолетового излучения, меньше которой фотоэлектроны не выбиваются при любой интенсивности ультрафиолетового излучения. Однако если частота , то даже слабое ультрафиолетовое излучение выбивает фотоэлектроны. При этом между моментом включения источника излучения и вылетом фотоэлектронов нет задержки во времени.

В 1905 году Эйнштейн предложил теорию, дающую объяснение этим фактам. Он взял за основу идею Планка о квантовании и предположил, что любое электромагнитное излучение существует в форме сгустков электромагнитной энергии, названных квантамиилифотонами. Затем он принял, что при взаимодействии с веществом фотон ведет себя подобно частице и передает свою энергию не веществу в целом, а только отдельным электронам. Существование граничной энергии фотоэффекта обусловлено тем, что для освобождения электрона из вещества ему надо передать некоторое количество энергии. Для разных веществ это количество разное.

Согласно Эйнштейну, кинетическая энергия фотоэлектрона должна быть равна разности между энергией фотона падающего ультрафиолетового излученияи минимальной энергией, необходимой для освобождения электрона из вещества, называемойработой выхода этого вещества:

. (1.4)

В качестве механической аналогии этого объяснения можно рассмотреть шарик массы , покоящийся в ямке (рис.1.7).

Рис.1.7. Механическая аналогия фотоэффекта

Если шарику сообщить достаточную энергию, он выскочит из ямки высотой Hи еще покатится по горизонтальной поверхности со скоростьюV.

Уравнение энергии такого процесса имеет вид

, (1.5)

в этом выражении - работа выхода шарика из ямки, ааналогично энергии фотона.

Электроны, выбитые с фотоэмиссионной поверхности при облучении ультрафиолетовым светом, в действительности имеют различные кинетические энергии, поскольку электроны, освобожденные в толще материала, до выхода с поверхности теряют энергию при столкновениях с атомами. Поэтому тормозящий потенциал , снижающий ток электронов до нуля, соответствует кинетической энергии самых быстрых электронов. Эта кинетическая энергия, так что формулу (1.4) можно привести к виду

. (1.6)

или

. (1.7)

Сравнивая последнее выражение с формулой (3), видно, что коэффициент пропорциональности , согласно теории Эйнштейна, должен быть равен частному от деления постоянной Планка на заряд электрона:.

Измерения фотоэффекта, выполненные американским физиком Робертом Милликеном (1868 - 1953), показали, что наклон прямой, характеризующей зависимость от, в самом деле, равен.