Излучения. Внешний фотоэффект
Наряду с законами теплового излучения в конце 19 века было открыто и изучено явление фотоэффекта, закономерности которого не могли быть объяснены классической электромагнитной теорией. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием света. Это явление открыто Г.Герцем в 1887 году. Первые исследования фотоэффекта выполнены А.Г. Столетовым (1889 г.).
В 1898 году Ленард и Томсон, измерив удельный заряд испускаемых под действием света частиц, доказали, что эти частицы являются электронами.
Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 1. Под действием света с поверхности катода К вылетают электроны, которые под действием электрического поля перемещаются к аноду А. В цепи появляется фототок.
Схема на рис. 1 позволяет получить вольт-амперную характеристику (рис. 2), снятую при постоянном значении светового потока Ф. При увеличении напряжения фототок достигает насыщения — все электроны, испущенные катодом попадают на анод.
Если U = 0, то часть электронов обладает скоростями, достаточными для того, чтобы достичь анода, т.е. I ≠ 0. Чтобы фототок прекратился (I= 0), надо приложить задерживающее напряжение U3, при котором электроны, обладающие максимальной скоростью vm, не могут преодолеть задерживающее электрическое поле. Кинетическая энергия этих электронов убывает до нуля за счет работы внешних электрических сил.
Исследования вольт-амперных характеристик привели к установлению основных законов внешнего фотоэффекта.
1. Закон Столетова.Сила фототока насыщения пропорциональна световому потоку при фиксированной частоте падающего света
2. Максимальная кинетическая энергия электронов не зависит от интенсивности падающего света и линейно возрастает с увеличением его частоты.
3. Существует "красная граница" фотоэффекта, т.е. минимальная частота i-n света, зависящая только от материала фотокатода, такая, что при частоте v > v0 свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.
Второй и третий законы фотоэффекта противоречат волновой теории света, так как кинетическая энергия электронов и фототок согласно этой теории должны определяться интенсивностью падающего света. Существование "красной границы" фотоэффекта также невозможно объяснить законами классической физики.
В 1905 году А.Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта объясняются предложенной им квантовой теорией фотоэффекта.
Согласно этой теории свет поглощается такими же порциями (квантами) энергии hv, какими он, по предположению Планка, испускается. Энергия, полученная электронами, затрачивается на работу выхода А электрона из металла и сообщение вылетевшему электрону кинетической энергии mv2m/2. Из закона сохранения энергии вытекает, что
Это соотношение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Работа выхода А равна минимальной энергии, необходимой для удаления электрона из твердого тела в вакуум. Эта величина определяется материалом фотокатода и в сильной степени зависит от состояния поверхности катода, что создавало трудности при проверке уравнения (3). Только в 1916 году Милликен создал экспериментальную установку, с помощью которой удалось полностью подтвердить соотношение (3).
Уравнение Эйнштейна позволяет легко объяснить 2-й и 3-й законы фотоэффекта. Используя формулу (3) и учитывая, что при v = v0 кинетическая энергия электрона обращается в нуль, можно определить "красную границу" фотоэффекта:
Легко видеть, что при энергии фотона hv < hv0= А фотоэффект невозможен. Воспользовавшись уравнением (4), можно записать уравнение Эйнштейна (3) в виде
Это полностью согласуется со вторым законом фотоэффекта, полученным из экспериментов. Простейшим фотоэлементом, преобразующим энергию света в электрическую энергию на основе внешнего фотоэффекта, является вакуумный фотоэлемент. Эти приборы позволяют измерять фотометрические характеристики света, в частности, освещенность, что связано со строгой пропорциональностью фототока и интенсивности света. Для усиления фототока используются фотоэлектронные умножители.
Помимо внешнего фотоэффекта существует внутренний и вентильный фотоэффект. Внутренний фотоэффект состоит в увеличении электропроводности полупроводников или диэлектриков при облучении их светом (возникновение фотопроводимости). Этот эффект используется в полупроводниковых фотоэлементах и фоторезисторах. Вентильный фотоэффект возникает при освещении контакта двух полупроводников (р-n перехода) или полупроводника и металла и ведет к возникновению фото-э.д.с. Вентильный фотоэффект позволяет осуществить прямое преобразование солнечной энергии в электрическую (солнечные батареи).
Дата добавления: 2015-08-11; просмотров: 1285;