Опыты Столетова[f]. Законы фотоэффекта.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется испускание электронов вещества под действием света. Другое определение: фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами или молекулами вещества под действием света (видимого, ИК, УФ).

Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное освобождение), то эффект называется внешним. Открыт в 1887г. Герцем[g], который обнаружил, что облучение искрового промежутка УФ-лучами значительно облегчает разряд. Подробно исследован Столетовым А.Г. в 1888г., который установил основные законы фотоэффекта.

Если же электроны теряют связь только со “своими” атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества в качестве “свободных электронов” (частичное освобождение), увеличивая тем самым электропроводность вещества, то фотоэффект называется внутренним (открыт в 1873г. американским физиком У. Смитом).

Подробное исследование внешнего фотоэффекта было проведено А.Г. Столетовым (1839-1896) на установке, схематически показанной на рисунке 2.1., в результате чего были установлены следующие закономерности:

1. испускаемые под действием света заряды имеют знак минус («-»);

2. наибольшее действие оказывают УФ-лучи;

3. величина испущенного телом заряда

пропорциональна поглощенной энергии.

Дальнейшие опыты Столетов проводил в вакууме на следующей установке (рис.2.2.). Свет через кварцевое окно, прозрачное для видимого и УФ света, освещает катод из исследуемого материала. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду. В результате в цепи течет ток, измеряемый гальванометром. Напряжение между электродами можно менять с помощью потенциометра.

С помощью такой установки были сняты вольтамперные характеристики. Если, не изменяя светового потока, увеличивать напряжение между катодом (К) и анодом (А), кривая зависимости тока (J) от напряжения (U) будет иметь вид (рис.2.3.). Видно, что при некотором напряжении фототок достигает насыщения, т.е. все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Это значение напряжения называется напряжение насыщения, а достигнутое максимальное значение фототока – током насыщения.

Сила тока насыщения J_н определяется количеством электронов (е), испускаемых катодом за единицу времени под действием света.

Изменяя в этом опыте световой поток, удалось установить:

I закон фотоэффекта: при неизменном спектральном составе падающего на катод света сила тока насыщения (т.е. количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1сек) прямо пропорционально световому потоку.

Характерной особенностью рассматриваемого явления является то, что в цепи возникает ток, когда разность потенциалов между катодом (К) и анодом (А) равна нулю («0»). Это означает, что электроны, вылетевшие с катода, обладают такой энергией, что ее достаточно для совершения работы по преодолению сопротивления между катодом и анодом. Вместе с тем это означает, что свет является своеобразной фотоэлектродвижущей силой, поэтому по аналогии с гальванометрами и термоэлементами устройства, в которых ЭДС генерируется за счет света, называются фотоэлементами.

Для того чтобы фототок стал равным нулю, нужно приложить задерживающее напряжение U_з. (его также называют задерживающим потенциалом). При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему при вылете с катода наибольшим значением скорости, не удается преодолеть задерживающее поле. Следовательно,

Если бы все фотоэлектроны имели бы одинаковую скорость “v”, то

· при условии все бы они достигали анода;

· при условии все бы электроны задерживались полем и не доходили до анода;

· при условии фототок должен был бы прекращаться скачком.

Однако опыт показывает, что фототок плавно уменьшается по мере увеличения задерживающего поля. Следовательно, фотоэлектроны имеют различные скорости. На опыте было обнаружено, что U_з. не зависит от величины светового потока и для данного материала катода определяется частотой падающего на него излучения.

Отсюда:

II закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

Из экспериментальных данных было получено, что

,

где U₀ – зависит от свойств и материала катода; k=const.

Из данной формулы вытекает, что для того, чтобы электроны могли покинуть катод под действием света, необходимо выполнение условия: или . Частота n₀ называется красной границей фотоэффекта. Для разных материалов она различна (см. табл.), поэтому и не наблюдался для Zn-катода фотоэффект при его освещении белым светом, т.к. красная граница фотоэффекта для цинка лежит в УФ-области спектра.

Итак, если , то фотоэффекта нет;

, то фотоэффект есть;

III закон фотоэффекта: независимо от интенсивности падающего света фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света, называемой “красной границей” фотоэффекта.

Полученные экспериментальные результаты нельзя никак объяснить, оставаясь в рамках классической физики, на основе волновой теории. А именно:

1) Предположив, что электрон вылетает из металла под действием световой волны, нужно рассматривать ее как некоторую вынуждающую силу, амплитуда которой должна определять v_max вылетевших электронов. Следовательно, U_з. пропорциональна световому потоку и v_e должна увеличиваться с ростом интенсивности света, что противоречит II закону фотоэффекта.

2) Непонятна также зависимость U_з. от частоты падающего света. Согласно волновой теории свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла, иначе говоря, не должно было бы существовать “красной границей” фотоэффекта.

Эйнштейн показал, что все эти противоречия снимаются, если описанные явления рассматривать с позиций квантовой теории.