Тема 17. Фотоэлектрический эффект.

Вопросы:

1. Основные законы внешнего фотоэффекта.

2. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотона.

3. Однофотонный и многофотонный фотоэффект.

4. Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость. Вентильный фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое.

Вопрос 1. Основные законы внешнего фотоэффекта.

Гипотеза Планка, решившая задачу теплового излучения абсолютно черного тела, получила дальнейшее развитие при объяснении фотоэлектрического эффекта или фотоэффекта– явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. В 1887 году Г. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода ультрафиолетовыми лучами разряд между электродами происходит при меньшем напряжении. Это явление, как показали опыты В. Гальвакса (1888 г.) и А.Г. Столетова (1888–1890 гг.), обусловлено выбиванием из электрода под действием света отрицательных зарядов. К моменту открытия этого явления электрон еще не был известен. Лишь в 1898 году Д.Д. Томпсон и Ф. Леонард определили заряд частиц, испускаемых поверхностью твердых тел и жидкостей под действием света, и установили, что эти частицы являются электронами, которые в дальнейшем будем называть фотоэлектронами.

Исследования внешнего фотоэффекта у металлов показали, что результаты эксперимента зависят не только от химической природы металла, но и от состояния его поверхности. Даже ничтожные загрязнения поверхности металла существенно влияют на эмиссию (испускание) электронов под действием света. Поэтому для изучения фотоэффекта пользуются вакуумной трубкой.

Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 17.1. Два электрода (катод К из исследуемого материала и анод А, в качестве которого Столетов применял металлическую сетку) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом через кварцевое стекло, измеряется включенным в цепь миллиамперметром.

Вольт-амперные характеристики фотоэффекта, т.е. зависимости фототока I, образуемого потоком электронов, от напряжения, приведенные на рис. 17.2., соответствуют двум различным значениям светового потока, причем . Частота света в обоих случаях одинакова. По мере увеличенияU фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода.

Рис.17.1 Рис. 17.2

Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями.

Максимальное значение фототока насыщения I_нас определяются таким значением напряжения , при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Из рисунка следует, приU = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью V, а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение Uз. При U =Uз ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью V_max , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

(17.1)

т.е. по задерживающему напряжению Uз , можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектрона.

При изучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов при разных частотах падающего на катод излучения и разных энергетических освещенностях катода и обобщении полученных данных были установлены три закона внешнего фотоэффекта − законы

А. Столетова:

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила тока насыщения пропорциональна освещенности катода).

2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны, в металле возникают колебания электронов, амплитуда которых может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл, – тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого электрона из металла должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, поскольку с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта. Так как, по волновой теории энергия, передаваемая электрону, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит третьему закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория фотоэффекта не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.