§ 87. Фотоелектричний ефект і його закони

Світло, падаючи на поверхню металу і поглинаючись у ньому, вириває з нього електрони. Це явище виривання електронів з речовини під дією випромінювання дістало назву фотоелектричного ефекту. Фотоефект можна спо­стерігати на простому досліді: очищеній до блиску і за­кріпленій на електроскопі цинковій пластинці надають від'ємний заряд (надмір електронів полегшує їх випромі­нювання) і діють на неї промінням електричної дуги або ртутно-кварцевої лампи (мал. 193). Пластинка швидко розряджається, про що свідчать покази електроскопа (мал. 193, о). Якщо пластинка заряджена позитивно, ні­якої зміни заряду помітити не вдається (мал. 193, б). Дослід з дуже чутливим електроскопом показує, що при освітленні незарядженої цинкової пластинки остання за­ряджається позитивно (втрачаючи від'ємний заряд).

Пояснюється це тим, що електрони вириваються світ­лом з поверхні пластинки і, якщо вона була заряджена

негативно, електрони відштовхуються від неї і електроскоп розряджається. Коли пластинка заряджена позитивно, вирвані світлом електрони притягуються до пластинки і знову осідають на ній. Тому заряд електроскопа не змі­нюється. При освітленні незарядженої пластинки остання втрачає електрони і заряджається позитивно.

Під час дослідження фотоефекту важливо з'ясувати, від чого залежить кількість вирваних з поверхні речовини електронів та їх швидкість. Принципова схема сучасної установки для дослідження фотоефекту показана на малюнку 194. Пучок однорідного світла через кварцове віконце спрямовується на досліджувану пластинку Я", вміщену в посудину В, з якої викачане повітря. Між катодом К і анодом А створюється електричне поле. Напругу між катодом і анодом можна регулювати потен­ціометром. Електрони, випущені катодом під час його опромінення світлом, рухаються під дією електричного воля до анода А і в колі приладу тече фотострум, силу якого можна виміряти гальванометром Г.

Якщо при незмінному світловому потоці, який падав на катод К, поступово підвищувати напругу між К і А, то сила фотоструму спочатку зростає, а потім став сталою, тобто перестає залежати від напруги (мал. 195). Най­більша сила фотоструму, яка виникає при незмінному світловому потоці, називається фотострумом насичення.

Очевидно, фотострум насичення виникає при таких напругах, коли всі електрони, вибиті світлом з кахода К, досягають анода А. Отже, фотострум насичення може служити кількісною мірою фотоефекту. Будемо жосту-пово збільшувати світловий потік і вктрюваги силу

фотоструму насичення. Ми переконаємося, що сила фото­струму насичення прямо пропорційна падаючому на фотокатод світловому потоку (перший закон фотоефекту). Цей закон легко зрозуміти: чим більша енергія падаю­чого світлового пучка, тим більшу кількість електронів цей пучок вибиває. Фотоефект практично безінерційний. Інтервал часу між початком освітлення і появою фотостру­му не перевищує 10~.⁹ секунди. В цьому легко перекона­тися, перекриваючи пучок світла непрозорим екраном, а потім приймаючи екран.

Будемо тепер при незмінному світловому потоці змен­шувати напругу між К і А. При досить малих напругах сила фотоструму починає зменшуватися, однак, навіть при напрузі, що дорівнює нулю, струм в колі не зникає. Це свідчить про те, що світло, вириваючи електрони, надає їм кінетичної енергії і вони досягають поверхні анода А. Значення цієї кінетичної енергії (або швидкості елек­тронів) можна визначити так. Поміняємо місцями полюси батареї, щоб створити між катодом і анодом електричне поле, яке гальмує рух електронів. У цьому випадку елек­трони під час руху від пластинки К до пластинки А за рахунок своєї кінетичної енергії виконують роботу проти сил поля. Зі збільшенням напруженості гальмівного поля сила фотоструму зменшується і при певній напрузі фото­струм взагалі припиняється. Це означає, що навіть елек­трони, які вилетіли з максимальною швидкістю з металу, вже не можуть подолати гальмівну дію електричного поля і долетіти до пластинки А. Позначивши найменшу затримуючу напругу, при якій припиняється фотострум, через U₃, максимальну швидкість вибитих електронів

270

через і7_м, а їх заряд і масу відповідно через є і тп, можна записати

\тиі=еи_г. (87.1)

Отже, вимірявши затримуючу напругу U_Л, можна ви­значити максимальну кінетичну енергію (або швидкість) вибитих випромінюванням електронів. Ці вимірювання дали можливість установити досить несподіваний факт: максимальна швидкість (або кінетична енергія) вибитих випромінюванням електронів зовсім не залежить від освіт­леності поверхні, а визначається лише частотою (або довжиною хвилі) цього випромінювання (другий закон фотоефекту).

Якщо на фотокатод спрямовувати почергово випромі­нювання з різною довжиною хвилі (частотою), то можна помітити, що зі збільшенням довжини хвилі (або змен­шенням частоти) кінетична енергія (або швидкість) виби­тих електронів зменшується і при певній довжині хвилі кінетична енергія (або швидкість) виявляється рівною нулю, тобто фотоефект зникає. Найбільша довжина хвилі, при якій ще можна спостерігати фотоефект, називається червоною межею фотоефекту. Термін «червона межа» під­креслює, що фотоефект обмежений з боку довгохвильової частини спектра.

Отже, не всяке випромінювання здатне викликати фото­ефект. Промені з довжиною хвилі більшою за червону межу фотоефекту >._ч не викликають фотоелектричного струму, яку б освітленість не створювали вони на поверхні тіла. Наявність червоної межі є однією з чудових особ­ливостей фотоефекту, яку не можна пояснити з точки зору електромагнітної теорії світла.

Досліди з освітленням фотокатодів з різних матеріалів показали, що червона межа фотоефекту різна для різних речовин і є характерною для даної речовини. Червона межа фотоефекту визначається лише матеріалом освітлю­ваного електрода і не залежить від його освітленості (третій закон фотоефекту).

Якщо перший закон фотоефекту можна пояснити на основі електромагнітної теорії світла, то другий і третій закони на основі цієї теорії пояснити не можна. Справді, за хвильовою теорією фотоефект повинен спостерігатися при будь-якій частоті (довжині хвилі) світла, оскільки енергія, яку одержує електрон під час розгойдування його електромагнітною хвилею, залежить від енергії хвилі,

271

а остання визначається амплітудою коливання, а не дов­жиною хвилі. Отже, при будь-якій довжині хвилі світло достатньої інтенсивності мало виривати електрони з ме­талу. Крім того, з хвильової точки зору, кінетична енергія вибитих електронів повинна була б залежати від освіт­леності поверхні, оскільки зі збільшенням освітленості електрону передавалася б більша енергія.

Отже, ні наявність червоної межі фотоефекту, ні неза­лежність швидкості вибитих електронів від світлового потоку не можна пояснити з точки зору електромагніт­ної теорії світла. Труднощі в тлумаченні явища фото­ефекту викликали сумніви в універсальності застосування електромагнітної теорії світла і привели А. Ейнштейна до створення квантової теорії світла.

? 1. У чому полягав явище фотоефекту? Як його можна спостерігати? 2. Сформулюйте закони фотоефекту. 3. Що називають червоною межею фотоефекту? Чи залежить вона від освітленості матеріалу? 4. Чому для різних речоаин червона межа фотоефекту мав різні значення? 5. Як розуміти твердження: «червона межа фотоефекту для нікелю >.., = 2,475-10 "'м»? Чи спостерігатиметься фотоефект при освітленні нікелю світлом з довжиною хвилі А_: = 310 м? >...= 2-10 ^гм? 6. Чи можна пояснити другий і третій закони фотоефекту з точки зору електро­магнітної теорії світла?