Внешний фотоэффект. Законы фотоэффекта

Под внешним фотоэффектом понимают процесс выбивания электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Герцем в 1887 году и систематически исследован Столетовым в 1888 – 1889 г. Принципиальная схема установки для исследования фотоэффекта приведена на рис. 7.1.

Свет освещает катод К, изготовленный из исследуемого металла. Электроны, испущенные катодом, перемещаются под действием электрического поля к аноду А, в результате в цепи фотоэлемента течет фототок I, измеряемый гальванометром Г. Напряжение между анодом и катодом можно изменять потенциометром П.

На рис. 7.2 приведено семейство вольт - амперных характеристик, снятых при одной и той же частоте, но при разных потоках (интенсивностях) света. По результатам исследований были сформулированы следующие законы

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов, вылетающих с поверхности катода, определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта ν_К – такая минимальная частота падающего излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается.

3.

При объяснении первого и второго законов с помощью классической физики возникли следующие трудности. Было совершенно не понятно, почему начальная скорость вылетающих из катода электронов зависит от частоты света, а не от его интенсивности. Согласно электромагнитной теории вырывание свободных электронов из металла должно являться результатом их «раскачивания» в электрическом поле световой волной. Увеличение интенсивности, а, следовательно, и амплитуды световой волны должно приводить к увеличению начальной скорости фотоэлектронов.

Трудности в истолковании первого и второго закона фотоэффекта вызвали сомнение в универсальной применимости волновой теории света и привели А. Эйнштейна к созданию квантовой теории света.

Эйнштейн развил идею Планка о квантовом характере излучения атомами. Он предположил, что свет не только излучается, но также распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде отдельных порций – квантов электромагнитного излучения. Эти кванты были названы фотонами. Процесс поглощения света веществом сводится к тому, что фотоны передают всю свою энергию частицам вещества. Для выхода электрона из вещества он должен совершить работу выхода А. В результате поглощения фотона электрон приобретает энергию hv. Если hv ≥ А, то электрон может совершить работу выхода и вырваться из металла. В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна

Это уравнение впервые было предложено Эйнштейном и называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Оно с успехом объясняет сформулированные выше законы фотоэффекта для небольших интенсивностей света.