Фотоефект і його закони

Зовнішній фотоелектричний ефект — це випускання електронів речовинами під дією світла (тобто фотоелектронна емісія). Відкрив його Генріх Герц, виявивши, що для іскрового розряду між яскраво освітленими цинковими кульками потрібна менша різниця по­тенціалів, ніж між неосвітленими.

Дослідники природи цього ефекту (Ф. Ленард, 0. Г. Столєтов, В. Гальвакс) виявили закономірності, що суперечили уявленням хвильової те­орії світла. У рамках цієї теорії виліт електрона з металу намагались пояснити вимушеними коливаннями електрона у змінному електрично­му полі світлової хвилі. Тоді:

1) збільшення інтенсивності світла при незмінній Я повинно було збільшу­вати швидкість вилітаючих електронів ("фотоелектронів"), а в дослідах їх швидкість не залежала від інтенсивності освітлення;

2) внаслідок інертності електрона, збільшення частоти коливань V у світловій хвилі повинно було зменшувати швидкість фотоелектронів, а в дослідах вона збільшувалась

Ці суперечності було подолано застосуванням до світла нових (кванто­вих) уявлень, розвинених Ейнштейном на підставі гіпотези Планка про випускання світла речовиною у вигляді окремих порцій — квантів.

Ейнштейн сміливо припустив (всупереч Планку), що світло не тільки випускається, але і поширюється, і поглинається речовиною не суціль­ним потоком, а як сукупність квантів світла (які тепер називають фотонами).

(Умовна аналогія фотонів — з зернистою ікрою риби.)

Рівняння, що є виразом закону збереження енергії у випадку фотоефек­ту (рівняння Ейнштейна):

,

де — передбачений Планком вираз енергії фотона, у ньому h = 6,63 *10^-34 Дж*с — стала Планка; — робота виходу електрона з металу, здійснювана при подоланні утримуючих електричних сил; m — маса електрона, v_макс — максимальна швидкість фотоелектрона (у припущенні, що електрон знаходився біля самої поверхні металу і відразу після поглинання фотона вилетів, без взаємодії з оточенням).

При розгляді структури світлової хвилі як сукупності багатьох фотонів пояснюються згадані закономірності:

1) Енергія пучка монохроматичного (з ) світла:

, де N —- число фотонів у пучку. Якщо електрон взаємодіє з одним фотоном, то збільшення N при незмінному не впливає на v_макс.

2) Із збільшенням v зростає hv, а отже — і v_макс

Експериментатори виявили ще дві закономірності.

а) Для кожної речовини існує деяке граничне значення довжини хвилі, перевищення якого призводить до зникнення фотоефекту, це значення назвали "червоною" (найбільш довгохвильовою) межею фотоефекту

( ); те ж — і стосовно частоти: ( ).

Рівняння Ейнштейна пояснює причину існування "червоної" межі: їй відповідає гранична енергія

.

При енергія фотона виявляється меншою, ніж .

б) Столєтов виявив ще одну закономірність фотоефекту. І він, і інші вчені вивчали вольт-амперну характеристику фотоефекту, користуючись установкою, що мала джерело живлення з "середньою точкою", що дозволяло змінювати полярність на електродах у трубці.

Закон Столєтова: збільшення інтенсивності освітлення незмінної збільшує силу фотоструму насичення. Цей факт також пояснюється те­орією Ейнштейна: збільшення енергії пучка світла довжиною відбу­вається за рахунок збільшення числа фотонів у пучку, що призводить до збільшення числа фотоелектронів.

Примітка. При використанні лазерних світлових пучків з високою концентрацією фотонів електрон може поглинати не один, а 2-3 фо­тони. У випадку такого багатофотонного фотоефекту "червоної" межі немає.