§ 6.12. Фотоефект

Розрізняють зовнішній і внутрішній фотоефект. Внутрішній фотоефект спостерігається в напівпровідниках і полягає в тому, що під дією світла електрони відриваються від атомів, але залишаються всередині кристалу, в результаті чого збільшується провідність напівпровідника.

Зовнішній фотоефект – це явище виривання електронів з поверхні металу під дією світла. Зовнішній фотоефект був відкритий Герцем у 1887 р. і досліджений Столєтовим у 1888-89 рр. Схема дослідів Столєтова приведена на рис. 6.29. Ця схема дозволяє дослідити вольт-амперну характеристику вакуумного фотоелемента – залежність фотоструму І від напруги U між електродами. Криві на рис. 6.29 відповідають двом різним освітленостям Ф катода. При збільшенні напруги все більша кількість вибитих електронів досягає анода, тому фотострум зростає. Максимальне значення фотоструму І_н (струм насичення) відповідає таким значенням U, при яких усі електрони досягають анода. З воль-амперної характеристики видно, що при фотострум не зникає. Електрони, вибиті світлом з катода, мають відмінну від нуля кінетичну енергію і можуть досягти анода без зовнішнього поля. Для припинення фотоструму необхідно прикласти затримуючу напругу . При такій напрузі жоден з електронів не може досягнути анода. Отже, , тобто вимірюючи , можна знайти максимальне значення швидкості і кінетичної енергії фотоелектронів.

Основні закономірності фотоефекту:

1. сила фотоструму насичення прямопропорційна до інтенсивності світла, яке падає на катод;

2. кінетична енергія вирваних електронів збільшується зі збільшенням частоти падаючого світла;

3. існує мінімальна частота, з якої починається фотоефект;

4. фотоефект – безінерційний.

Т

Рис. 6.29

еоретичне пояснення фотоефекту дав Ейнштейн у 1905 р. Він використав гіпотезу Планка про квантову природу випромінювання світла і припустив, що енергія поглинутого кванта йде на роботу виходу електрона з метала і на надання електрону кінетичної енергії:

(6.64)

Це – рівняння Ейнштейна для фотоефекту. Воно дає можливість правильно пояснити всі закони фотоефекту. Збільшуючи світловий потік даного спектрального складу, ми збільшуємо число квантів енергії, які падають на фотокатод. Це призводить до зростання кількості вирваних електронів, а, отже, і до зростання струму насичення (І закон фотоефекту).

Із (6.64) безпосередньо випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектрона лінійно зростає зі збільшення частоти падаючого випромінювання і не залежить від його інтенсивності, бо ні ν, ні А від інтенсивності світла не залежать (ІІ закон фотоефекту).

З рівняння Ейнштейна також випливає, що найменша частота ν світла, під дією якого відбувається фотоефект, визначається з умови ; звідси

. (6.65)

Найменша частота ν₀ (найбільша довжина хвилі λ₀), при якій ще можливий фотоефект, є червоною межею фотоефекту (ІІІ закон фотоефекту). Ця частота залежить тільки від роботи виходу електрона, тобто від хімічної природи речовини і стану її поверхні.

§ 6.13. Тиск світла

Тиск світла можна пояснити з квантової точки зору. Кванти світла (фотони) мають масу та імпульс. Маса фотона визначається з релятивістського співвідношення Ейнштейна . Звідки, враховуючи (6.60), отримаємо

. (6.66)

Залежність релятивістської маси від швидкості в застосуванні до фотона має зміст лише при Це означає, що маса спокою фотона рівна нулю.

Імпульс фотона

. (6.67)

Нехай на одиницю поверхні тіла за одиницю часу падає n фотонів. При цьому – число відбитих фотонів (R – коефіцієнт відбивання), і (1 – R)n – число поглинутих фотонів. Тоді, за другим законом Ньютона, зміна імпульсу одиничної площадки за одиницю часу визначатиме тиск світла :

(6.68)

Враховуючи, що – інтенсивність світла, отримаємо

. (6.69)

Для дзеркальної поверхні , а для чорної ( . Таким чином, тиск на дзеркальну поверхню – вдвічі більший, ніж на чорну, що і спостерігав П.М.Лєбєдєв у своїх дослідах з вимірювання тиску світла.