Внешний фотоэффект
Внешний фотоэффект – явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием электромагнитного излучения. Обнаружен Герцем в 1887 г., наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым светом.
Первые фундаментальные исследования фотоэффекта были выполнены русским ученым Столетовым в 1888-1889 г. при помощи установки на рисунке. Выяснилось, что испускаемые под действием света частицы имеют отрицательный заряд, а в 1899 г. Ленард и Томсон показали, что эти частицы являются электронами.
Вид ВАХ и зависимость фототока от напряжением между А и К показаны на рис. На основе обобщения полученных опытных данных были установлены законы внешнего фотоэффекта:
При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности катода).
Максимальная начальная скорость (максимальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения, а определяется только его частотой.
Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота (или максимальная длина) волны излучения, ниже которой фотоэффект невозможен.
При U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение. При этом напряжении ни один из электронов не может преодолеть поля и достигнуть анода.
(6.10)
Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было представлять трудностей. Действительно под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл. Тогда кинетическая энергия вырываемого из металла электрона должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, так как с ее увеличением электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит 2 закону фотоэффекта. Так как, по волновой теории, энергия передаваемая электронам, 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 3 закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, установленную опытом. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.
В
1905 г. Эйнштейн показал, что все
закономерности фотоэффекта объясняются
на основе квантовой
теории фотоэффекта.
Свет не только испускается, как это
предполагал Планк, но и распространяется
и поглощается отдельными порциями
(квантами), энергия которых
.
Таким образом, распространение света
нужно рассматривать не как непрерывный
волновой процесс, а как поток локализованных
в пространстве дискретных световых
квантов, движущихся со скоростью
распространения света в вакууме. Кванты
электромагнитного излучения получили
название фотонов.
По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (1 закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.
Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение ему кинетической энергии
(6.11)
где А – работа выхода электрона из металла. Уравнение (6.11) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Фотоэффект и А сильно зависят от состояния поверхности металлов.
Уравнение
Эйнштейна позволяет объяснить 2 и 3
законы фотоэффекта. Из (6.11) следует, что
максимальная кинетическая энергия
фотоэлектрона возрастает с увеличением
частоты падающего излучения и не зависит
от его интенсивности: числа фотонов (2
закон). Так как с уменьшением частоты
света кинетическая энергия фотоэлектронов
уменьшается, то при некоторой достаточно
малой частоте кинетическая энергия
фотоэлектронов станет равной нулю и
фотоэффект прекратится (3 закон): 
.
-
красная граница (6.12)
При
фотоэффект не наблюдается.
Если интенсивность света очень большая (лазерные пучки), возможен многофотонный (нелинейный) фотоэффект, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от N фотонов
