Внешнего фотоэффекта.

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фо­тоэффекта - явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории.

Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешнимназывается испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а так же газах на отдельных атомах и молекулах. Обнаружен Г. Герцем (1887 г.), наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением. Первые фундаментальные

исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым (рис. 5.7.1). Два электрода (катод K из исследуемого ме­талла и анод А - в схеме металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно измерять не только значение, но и знак подаваемого на них напря­жения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом, измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом волн различной длины, Столетов установил следующие закономерности, не утра­тившие своего значения до нашего времени: 1) наиболее эффективное дей­ствие оказывает ультрафиолетовое излучение; 2) под действием света ве­щество теряет только отрицательные заряды; 3) сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

рис 5.7.1.

Измерения Дж. Томсоном в 1898 г. удельного заряда показали, что под действием све­та вырываются электроны.

Внутренний фотоэффект- это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация но­сителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости(повышению электропроводности полупроводника или ди­электрика при его освещении) или э.д.с.

Вентильный фотоэффект- возникновение э.д.с. (фото - э.д.с.) при ос­вещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и ме­талла (при отсутствии внешнего электрического поля). Он открывает пути для прямого преобразова­ния солнечной энергии в электрическую.

На рис.5.7.2 приведена экспериментальная установка для исследования вольт – амперной характеристики фотоэффекта- зависимости фототока I, об­разуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от U между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различ­ным освещенностям Ее катода, приведена на рис.34. По мере уве­личения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное зна­чение Iмас – фототок насыщения- определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

,

где n - число электронов, испускаемых катодом в 1 с. Из вольт - амперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью V, 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 U₀. При U = U₀ ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью V_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода, следовательно,

, (5.7.1)

рис 5.7.2.

т.е. измерив задерживающее напряжение U₀, можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

После изучения вольт - амперных характеристик разнообразных материалов (важна чистота поверхности, поэтому измерения проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.

1. 1. Закон Столетова. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. 2.Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой n, а именно: линейно возрастает с увеличением частоты.

3. 3.Для каждого вещества существует "красная граница" фотоэффекта, т.е. минимальная частота n₀ света, при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

Качественное объяснение фотоэффекта с точки зрения волновой теории, на первый взгляд, не должно было бы 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 и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия, с которой электрон вырывается из металла, должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, т.к. с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит 2-му 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-му закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.