4. Внешний фотоэлектрический эффект

Планковская теория излучения абсолютно черного тела и изучение фотоэлектрического эффекта явились основанием для создания квантовой теории света.

Явление фотоэлектрического эффекта – вырывания электронов из атомов или молекул под действием света – впервые было обнаружено в 1887 г. Г. Герцем.

Если электроны, выбитые светом, вылетают за пределы вещества, фотоэффект называют внешним. Внешний фотоэффект наблюдается главным образом у металлов. Если же оторванные от своих атомов или молекул электроны остаются внутри освещаемого материала в качестве свободных, то фотоэффект называют внутренним. Внутренний фотоэффект наблюдается у некоторых полупроводников и в меньшей степени у диэлектриков. Явление внешнего фотоэффекта впервые было исследовано А.Г. Столетовым в 1890 г. Явление внутреннего фотоэффекта было исследовано академиком А. Иоффе в 1908 г.

Схема опытов Столетова по исследованию внешнего фотоэффекта изображена на рисунке 5.38. В вакуумной трубке помещают исследуемую пластинку К, служащую катодом, и вспомогательный электрод А, служащей анодом. Электроды К и А через потенциометр Р подключены к источнику напряжения. Напряжение между электродами (анодное напряжение) измеряют вольтметром V, ток в цепи – гальванометром G.

Если пластину К не освещать, ток в цепи отсутствует, так как вакуумный промежуток между катодом и анодом тока не проводит. Если же исследуемую пластину осветить через окно С, то свет вырвет из пластины электроны (их называют фотоэлектронами). Под действием электрического поля фотоэлектроны движутся к аноду А, замыкая цепь. Гальванометр показывает наличие тока (его называют фототоком). С помощью потенциометра Р можно менять значение и знак анодного напряжения. Следует иметь в виду, что ток в цепи возникает и в том случае, когда анодное напряжение равно нулю, и даже при небольшом задерживающем отрицательном напряжении. Это объясняется тем, что вылетающие из катода фотоэлектроны обладают кинетической энергией, за счет которой совершается работа против сил задерживающего поля.

На рисунке 5.39 показана зависимость фототока от анодного напряжения при неизменном световом потоке.

При определенной разности потенциалов между электродами все вырванные из катода электроны достигнут анода, через гальванометр пойдет ток, который определяется числом электронов, вырываемых светом с поверхности катода за единицу времени. Этот ток называют током насыщения I_н. Если поле тормозит электроны, то при некотором значении U_з электроны перестают достигать анода и ток в цепи прекращается. По значению U_з можно определить максимальную скорость вылетающих электронов.

Пусть максимальная скорость вылетающих электронов, т и е – его масса и заряд. Следовательно, максимальная кинетическая энергия таких электронов равна , и она полностью затрачивается на работу против сил тормозящего поля, т е. . Определив экспериментально значение , найдем скорость этих электронов:

. (5.12)

В результате многочисленных опытов Столетов установил следующие законы фотоэффекта: