Фотоэффект

Лекция № 32

Фотоны

 

Фотоны

По гипотезе Энштейна свет распростра­няется в виде дискретных частиц, которые являются квантами электромагнитного излучения названных первоначально световыми квантами. Впослед­ствии эти частицы получили название фотонов (термин «фотон» был введен в 1926 г.).

Энергия фотона опреде­ляется его частотой:

;

где ; (h перечеркнутое), – постоянная Планка, - частота фотона.

Длина волны связана с частотой с помощью зависимости:

, ;

где - скорость света в вакууме.

Свойства фотона:

1) масса покоя фотона равна нулю,

2) фотон всегда движется со скоростью с. Сказанное означает, что фотон представляет собой частицу осо­бого рода, отличную от таких частиц, как электрон, протон и т. п., которые могут существовать, двигаясь со скоростями,

меньшими с, и даже покоясь.

Фотоэффект

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом назы­вается испускание электронов веществом под действием света. Это явление было открыто Г. Герцем в 1887 г. Он заметил, что проскакивание искры между шариками разрядника значительно облегчается, если один из шариков осветить ультрафиолетовыми лучами.

В 1888—1889 гг. А. Г. Столетов подверг фотоэффект исследованию с помощью установки, схема кото­рой показана на рис. 1. Конденсатор, образованный проволоч­ной сеткой и сплошной пластиной, был включен последовательно с гальванометром G в цепь батареи. Свет, проходя через сетку, падал на сплошную пластину. В результате в цепи возникал ток, регистрировавшийся гальванометром. На основании своих опы­тов Столетов пришел к следующим выводам:

1) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;

2) сила тока воз­растает с увеличением освещенности пластины;

3) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

Спустя 10 лет (в 1В98 г.) Леиард и Томеон, измерив удельный заряд испускаемых под действием света частиц, установили, что эти частицы являются электронами.

Свет, проникающий через кварцевое окошко Кв освещает катод К, изготовленный из исследуемого материала. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются

Рис. 1. Рис. 2. Рис. 3.

под действием электрического поля к аноду А. В результате в цепи прибора течет фототок, измеряемый гальванометром G. На­пряжение между анодом и катодом можно изменять с помощью потенциометра П.

Полученная на таком приборе вольт-амперная характери­стика (т. е. кривая зависимости фототока I от напряжения между электродами U приведена на рис. 3). Естественно, что характеристика снимается при неизменном потоке света Ф. Из этой кривой видно, что при некотором не очень большом напря­жении фототек достигает насыщения—все электроны, испущен­ные катодом, попадают на анод. Следовательно, сила тока на­сыщения определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света.

Пологий ход кривой указывает на то, что электроны выле­тают из катода с различными по величине скоростями. Доля электронов, отвечающая силе тока при U == 0, обладает скоро­стями, достаточными для того, чтобы долететь до анода «само­стоятельно», без помощи ускоряющего поля. Для обращения силы тока в нуль нужно приложить задерживающее на­пряжение . При таком напряжении ни одному из элек­тронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшим значением скорости , не удается преодолеть задерживающее

поле и достигнуть анода. Поэтому можно написать, что

, (1)

где т— масса электрона, е – заряд электрона.Таким образом, измерив задерживаю­щее напряжение , можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов.

К 1905 г. было выяснено, что максимальная скорость фото­электронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты—увеличение частоты приводит к возрастанию скорости.

В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что все закономерности фото­эффекта легко объясняются, если предположить, Что свет погло­щается такими же порциями (квантами), какими он, по пред­положению Планка, испускается. По мысли Эйнштейна, энер­гия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта , который усваивается им целиком. Часть этой энергии, рав­ная работе выхода А (работой выхода называется наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакуум), затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Если электрон освобождается светом не у самой поверхности, а на некоторой глубине, то часть энергии, равная Е', может быть потеряна вследствие случайных столк­новений в веществе. Остаток энергии образует кинетическую энергию Ек электрона, покинувшего вещество. Энергия Ек бу­дет максимальна, если Е'=0. В этом случае должно выпол­няться соотношение

(2)

которое называется формулой Эйнштейна.

Из формулы (2) вытекает, что в случае, когда работа выхода А превышает энергию кванта , электроны не могут покинуть металл., Следовательно, для возникновения, фотоэф­фекта необходимо выполнение условия , или

(3)

Соответственно для длины волны получается условие

(4)

Частота или длина волны называется красной границей фотоэффекта.

Число высвобождаемых вследствие фотоэффекта электронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность Квантов света. Вместе с тем световой поток Ф определяется ко­личеством квантов света, падающих на поверхность в единицу времени. В соответствии с этим ток насыщения должен быть пропорционален падающему световому потоку:

(5)

Эта зависимость также подтверждается экспериментально. За­метим, что лишь малая часть квантов передает свою энергию фотоэлектронам, Энергия остальных квантов затрачивается на нагревание вещества, поглощающего свет.

Кроме рассмотренного нами внешнего фотоэффекта (называемого обычно просто фотоэффектом), существует также внутренний фотоэффект, наблюдаемый в диэлектриках и полупроводниках.