Краткая теория

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле,  фототоком.

Рис. 2.3. Схема установки для изучения внешнего фотоэффекта

На рис. 2.3 показана схема установки для изучения внешнего фотоэффекта в металлах. Свет падает через окно D, прозрачное во всей исследуемой спектральной области, на поверхность катода фотокатода К, помещенного внутрь трубки, в которой создан вакуум. Характер зависимости фототока I в трубке от разности потенциалов U между анодом А и катодом К при постоянной энергетической освещенности Е_э катода монохроматическим светом изображен на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Зависимость фототока I от разности потенциалов U между анодом и катодом: Е _э= const

Существование фототока при отрицательных значениях U от 0 до – U₀ свидетельствует о том, что фотоэлектроны выходят из катода, имея некоторую начальную скорость и, соответственно, кинетическую энергию. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов mv²_max связана с задерживающим напряжением (задерживающим потенциалом) U₀ соотношением

, (4)

где е и m – абсолютная величина заряда и масса электрона.

Фототок увеличивается с ростом U лишь до определенного предельного значения I_н, называемого фототоком насыщения. При фототоке насыщения все электроны, вылетающие из катода под влиянием света, достигают анода. Если n_с – число фотоэлектронов, покидающих катод за 1 с, то I_н = en_с .

Основные законы внешнего фотоэффекта

1. При неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (закон Столетова):

I_н ~ E_э и n_с ~ E_э.

2. Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого фотокатода существует красная граница внешнего фотоэффекта, т.е. минимальная частота света v₀, при которой еще возможен внешний фотоэффект; частота v₀ зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности.

Второй и третий закон внешнего фотоэффекта не удается объяснить на основе классической электромагнитной теории света. Согласно этой теории вырывание электронов проводимости из металла  результат их «раскачивания» в электромагнитном поле световой волны, которое должно усиливаться при увеличении интенсивности света и пропорциональной ей энергетической освещенности фотокатода.

Лишь квантовая теория света позволила успешно объяснить законы внешнего фотоэффекта. Развивая идеи Планка о квантовании энергии атомов – осцилляторов, Эйнштейн высказал гипотезу о том, что свет не только излучается, но также распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде отдельных дискретных квантов электромагнитного излучения – фотонов. Все фотоны монохроматического света частоты v имеют одинаковую энергию Е = hv, где h – постоянная Планка, и движутся в пространстве со скоростью с света в вакууме. В случае поглощения света веществом каждый поглощенный фотон передает всю свою энергию частице вещества. Например, при внешнем фотоэффекте электрон проводимости металла, поглощая фотон, получает его энергию hv. Для выхода из металла электрон должен совершить работу выхода А. Поэтому уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, выражающее закон сохранения энергии при фотоэффекте, имеет вид

, (5)

где h = 6,63·10^-34 Дж·с – постоянная Планка; m = m_e = 9,11·10^-31 кг – масса электрона.

Порядок выполнения задания № 2.2

1. Установить на оптической скамье электровакуумный фотоэлемент на одной высоте с осветителем, подать прямое напряжение на фотоэлемент.

2. Включить источник питания и осветитель.

3. Изменять подаваемое на фотоэлемент прямое напряжение от 0 В до достижения тока насыщения, записывать показания вольтметра и амперметра. Затем уменьшать напряжение до 0 В и измерять фототок при тех же значениях напряжения.

4. Выполнить п.3 для трех различных расстояний от фотоэлемента до осветителя.

5. Полученные результаты представить в виде табл. 2.

6. Построить на одном графике три вольтамперные характеристики.

Таблица 2

Расстояние от фотоэлемента до осветителя l,см	Подаваемое на фотоэлемент прямое напряжение U, В	Фототок I при повышении напряжения, мкA	Фототок I при понижении напряжения, мкA	Среднее значение фототока Iср, мкA
ln ln