1.3. Фотоэффект

Внешним фотоэлектрическим эффектом, или фотоэффектом, называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Это явление было открыто в 1887 году Г. Герцем, который заметил, что проскакивание искры между цинковыми шариками разрядника значительно облегчается, если один из шариков осветить ультрафиолетовыми лучами. В 1888-1889 гг. А.Г. Столетов установил следующие закономерности:

1) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак;

2) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;

3) величина испущенного телом заряда пропорциональна поглощенной им световой энергии.

В 1898 году Ф. Ленард и Д. Томсон, измерив удельный заряд испускаемых под действием света частиц, установили, что эти частицы являются электронами.

Схема установки для исследования фотоэффекта показана на рис.5. Свет проникает через кварцевое окошко Кв в эвакуированный баллон и освещает катод К, изготовленный из исследуемого материала. Фотоны, проникая в материал, передают свою энергию электронам. Если энергия фотонов достаточно велика, то электроны, приобретая кинетическую энергию, могут вылетать из поверхности металла в окружающее пространство. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду А. В результате в цепи прибора течет фототок, измеряемый гальванометром G. Напряжение между анодом и катодом можно измерять с помощью вольтметра V. Фотоэффект в сильной степени зависит от состояния освещаемой поверхности (в частности, от находящихся на ней окислов).

Основные законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна

При исследовании фотоэффекта (см. рис.5) увеличивают внешнее напряжение, приложенное к фотоэлементу, ток возрастает и достигает при заданном освещении некоторой максимальной величины, называемой током насыщения. Зависимость силы фототока от величины внешнего напряжения представлена на рис.6. Ток насыщения достигается, когда все фотоэлектроны, вырванные светом, попадают на анод. При фототок не исчезает. Это служит свидетельством того, что электроны покидают катод со скоростью, отличной от нуля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, нужно приложить отрицательное напряжение (задерживающее) . При таком напряжении ни один из электронов, даже вылетевших с максимальной скоростью (), не достигает анода. Поэтому можно записать:

где и – масса и заряд электрона.

Рис.6. Зависимость силы фототока от величины внешнего напряжения

Таким образом, измерив задерживающее напряжение , можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов.

При изучении вольт-амперных характеристик разных материалов при различных частотах и энергиях падающего на катод излучения были установлены три закона внешнего фотоэффекта.

1. Закон Столетова. Общее число фотоэлектронов, которые вырываются из катода за единицу времени, и сила фототока насыщения прямо пропорциональны световому потоку , падающему на катод: .

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой .

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта: такая наименьшая частота (или наибольшая длина волны ), при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Эйнштейн на основе квантовой теории, предложенной М.Планком, и закона сохранения энергии в квантовых процессах объяснил явление фотоэффекта.

Фотон, имеющий энергию , попадая в металл, отдает свою энергию электрону. Эта энергия идет на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии . Уравнение Эйнштейна имеет вид:

.

Из этого уравнения видно, что максимальная скорость фотоэлектронов определяется только частотой света (второй закон фотоэффекта). Очевидно также, что при некоторой достаточно малой частоте фотоэффект прекратится, т.е. (третий закон фотоэффекта). Таким образом, красная граница фотоэффекта определяется из следующих формул:

.

При – фотоэффекта быть не может.

Внешний фотоэффект наблюдается в металлах, полупроводниках, диэлектриках, а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).