ДОСЛІДЖЕННЯ СТОЛЄТОВА

Тема №8. ФОТОЕЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ.

Фотоефект - це випускання електронів речовиною під дією світла (і , взагалі кажучи, будь-якого електромагнітного випромінювання ).

Рис. 1. Схема фотоефекту

Фотоефект є результатом взаємодії фотонів світла з електронами речовини. Зокрема, в конденсованих системах (твердих тілах, рідинах) фотони спричиняють або вилітання електронів за межі тіл (зовнішній фотоефект), або ж перехід електронів з однієї енергетичної зони в іншу (внутрішній фотоефект); у газах фотоефект зводиться до іонізації атомів і молекул під дією світла. Існує також ядерний фотоефект — вивільнення складових частинок ядра (нуклонів) під дією жорсткого гамма-проміння.

Закони фотоефекту :

Формулювання 1-го закону фотоефекту: Сила фотоструму прямо пропорційна щільності світлового потоку .

Згідно з 2-м законом фотоефекту, максимальна кінетична енергія вирваних світлом електронів лінійно зростає з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.

3-й закон фотоефекту: для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла ν₀ (або максимальна довжина хвилі λ₀ ) , при якій ще можливий фотоефект , і якщо ν _˂ ν₀ , то фотоефект вже не відбувається.

Одним з найважливіших проявів взаємодії світла з речовиною, що розкриває фотонну природу світла, а також має велике практичне значення, є так званий фотоелектричний ефект.

Явище фотоефекту відкрив Г. Герц у 1883 р. Він помітив, що електричний розряд між двома різнойменно зарядженими цинковими кульками дуже полегшується, якщо їх освітити ультрафіолетовим світлом. Проте фотоефект як самостійне явище вивчив О. Г. Столєтов 1888-1890 pp.

Вже в перших дослідах із зарядженими металевими пластинками О. Столєтов встановив, що під впливом падаючого світла, переважно ультрафіолетового, тіло втрачає заряд, але тільки тоді, коли воно заряджене негативно; позитивний заряд тіла під дією світла не зменшується.

Рис. 2. Дослід з освітлення зарядженої пластини УФ світлом

Пізніше О. Столєтов, з метою усунення сторонніх впливів, досліджувану пластинку розміщував у вакуумній камері (рис. 3), де вона була катодом К; для анода вводив пластинку А. Катод освітлювався крізь кварцове віконце.

Рис 3. Схема дослідження фотоефекту

Досліди, проведені з різними металевими пластинками, показували, що струм у колі з'являється тоді, коли катод освітлюється; очевидно, носіями струму в вакуумній трубці ставали вивільнені з катода під дією світла електрони.

Збільшення напруги між катодом і анодом спочатку приводило до збільшення фотоструму в колі (рис. 4), але при досягненні деякої напруги фотострум переставав зростати і залишався незалежним від напруги. Утворювався струм насичення. Дальше збільшення струму можна було зумовити лише збільшенням інтенсивності світла, що падало на катод.

Рис. 4. ВАХ фотоефекту

Струм насичення І_н можна виразити через заряд електрона eі кількість електронів п, що вивільняються з катода за одиницю часу,

(1)

Таким чином, за струмом насичення можна було робити висновок про кількість електронів, що вивільняються з катода за одиницю часу, та про залежність їх числа від величини падаючого світлового потоку.

Досліди з чутливим гальванометром показали, що потік електронів від освітленого катода досягає анода і без прискорюючої напруги між ними. Щоб звести фотострум до нуля, довелося прикласти до електродів у приладі Столєтова деяку гальмуючу напругу U₁. Очевидно, електрони, що вивільнялися з катода під дією світла, діставали певну швидкість, яку можна було визначити за значенням гальмуючої напруги U₁а саме:

(2)

де eі т– відповідно заряд і маса електрона.

Дослідження Столєтова та інших учених привели до встановлення таких закономірностей фотоефекту.

1. Явище фотоефекту безінерційне, тобто з припиненням освітлення поверхні воно зразу ж припиняється; дослідження показали, що час між паданням світла і виходом електронів з металу не перевищує ~10⁸ с.

2. Кількість електронів, що вивільняються світлом за 1 с (або фотострум насичення), прямо пропорційна світловому потоку, що падає на досліджуване тіло.

3. Швидкість вилітаючих фотоелектронів тіла тим більша, чим більша частота v падаючого світла і не залежить від його інтенсивності.

4. Незалежно від інтенсивності світла, фотоефект починається тільки при цілком певній для даного металу мінімальній частоті світла; цю частоту називають «червоною межею» фотоефекту.

Вивільнення електронів з металів під дією світла можна було пояснити дією електричного або магнітного поля. І цей факт наче підтверджував хвильову електромагнітну природу світла. Проте закономірності фотоефекту неможливо було погодити з основними положеннями хвильової теорії світла. Важче було пояснити безінерційність фотоефекту, бо ж з падаючого хвильового потоку електрон, завдяки дуже малим розмірам, повинен сприймати дуже незначну енергію і накопичувати її тривалий час, доки вона стане достатньою для подолання зв'язків електрона з атомами. Розрахунки показують, що навіть при значній інтенсивності світла вихід електрона мав би наставати лише через кілька днів.

З погляду хвильової теорії світла неможливо було з'ясувати неза­лежність швидкості вилітаючих електронів від інтенсивності світла, бо ж коли на тіло падає світлова електромагнітна хвиля, то вона повинна приводити електрони у вимушені коливання, амплітуда яких пропорційна амплітуді світлової хвилі. Але амплітуда світлової хвилі визначає інтенсивність світла. Тому енергія вимушених коливань електронів, вихід їх з тіла і швидкість мали б залежати від інтенсивності світла. Насправді такої залежності немає.