Вопрос 58 Внешний фотоэффект

. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А. Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 6.4. Два электрона (катод из исследуемого металла и анод - в схеме Столетова применялась металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности: 1) наибольшее 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.

На рис. 6.4 приведена экспериментальная установка для исследования вольт–амперной характеристики фотоэффекта – зависимости фототока , образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещенностям катода (частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рис. 6.5.

фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока - фототок насыщения - определяется таким значением , при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

 

,

 

где - число электронов, испускаемых катодом в .

Из вольт-амперной характеристики следует, что при фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью , а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающего напряжение . При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

 

,

 

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

При изучении 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 при различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три закона фотоэффекта.

1.Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока пропорциональна энергетической освещенности катода).

2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

По закону сохранения энергии,

 

(6.11 ).

 

Уравнение (6.11) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.