Внешний фотоэффект. Внешним фотоэффектом называется эмиссия электронов из вещества (в вакуум или другое вещество) под действием электромагнитного излучения

Рис. 1. Принципиальная схема опыта для исследования внешнего фотоэффекта.

Внешним фотоэффектом называется эмиссия электронов из вещества (в вакуум или другое вещество) под действием электромагнитного излучения. Для исследования закономерностей внешнего фотоэффекта используют установку, принципиальная схема которой приведена на рис. 1.

В сосуде поддерживается высокий вакуум. При освещении металлической пластины P через кварцевое окно, в цепи возникает ток (фототок), измеряемый гальванометром G. Зависимость силы фототока от приложенного напряжения (вольт - амперная характеристика) представлена на рис. 2. Участок кривой, соответствующий I_н, называется током насыщения: все освобождаемые светом электроны достигают анода.

Фототок отличен от нуля до строго определенного для данного металла отрицательного значения разности потенциалов U_з, так называемого задерживающего напряжения.

Рис.2. Вольт - амперная характеристика.

Многочисленными экспериментами установлены следующие закономерности внешнего фотоэффекта:

1. При неизменном спектральном составе сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему световому потоку.

2. Максимальная энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты n падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого металла существует максимальная длина волны света l_кр (так называемая красная граница фотоэффекта), при которой еще происходит освобождение электронов. Если длина волны превышает l_кр , то эмиссия электронов отсутствует даже при сравнительно большой интенсивности облучающего света.

Явление фотоэффекта и его экспериментальные закономерности были объяснены Эйнштейном в 1905 г. на основе квантовой теории света.

Падающее монохроматическое излучение рассматривается как поток фотонов, энергия которых связана с частотой света n соотношением: Е=hn. При этом не только излучение, но и распространение, и поглощение света происходит отдельными порциями (квантами).

При поглощении фотона вся его энергия целиком передается одному электрону. Если эта энергия достаточна для того, чтобы освободить электрон от удерживающих его связей, то он может выйти за пределы поверхности металла.

По квантовым представлениям, полное число освобожденных электронов пропорционально числу поглощенных фотонов, т.е. сила фототока насыщения пропорциональна интенсивности (1-я закономерность фотоэффекта).

Энергия отдельного фотоэлектрона определяется энергией поглощенного фотона Е=hn. Отсюда понятно, что энергия фотоэлектрона линейно зависит от частоты падающего света и не зависит от его интенсивности, т.е. числа падающих фотонов (2-я закономерность фотоэффекта).

Энергия, которую приобретает электрон, частично затрачивается на освобождение его из металла, а ее излишек остается в форме кинетической энергии освобожденного электрона. Минимальная энергия А, необходимая для освобождения электрона из металла, называется работой выхода. Применяя к элементарному акту поглощения фотона закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу:

, (1)

где - максимальная скорость выбитых электронов.

Очевидно, что при hn<A электрон не может выйти из металла. Следовательно, существует некоторая минимальная частота излучения n_min = A/h, при которой еще возможен фотоэффект. При меньших частотах n<n_min фотоэффект не наблюдается (соответственно, l_кр= с/n_min = hc/A).

Таким образом, уравнение Эйнштейна объясняет существование красной границы фотоэффекта (3-я закономерность фотоэффекта).

Для большинства металлов красная граница фотоэффекта приходится на ультрафиолетовую область спектра (исключение составляют щелочные металлы, у которых красная граница попадает в область видимого диапазона).

Поиск по сайту: