Внешний фотоэффект

Фотоэлектрическим эффектом называют вырывание электронов с поверхности твердых тел фотонами. Это явление открыто в 1887 г. Герцем и изучено в 1888 г. Столетовым.

а) б)

Рис. 5.2

На (рис.5.2,а) показана схема для наблюдения фотоэффекта. Свет через кварцевое стекло направляется в вакуумный баллон и падает на катод К. Вырванные светом электроны под действием электрического поля устремляется к аноду А. Гальванометр Gпоказывает возникновение в цепи электрического тока. Если свет направить на анод вместо катода, то тока не наблюдается. Величину фототокаIможно изменять, изменяя с помощью потенциометра П напряжение между катодом и анодом. Вольт - амперная характеристика фотоэлемента показана на рис.5.2,б. В закономерностях этого явления отчетливо проявляются квантовые свойства света.

Для вырывания электрона из атома на поверхности твердого тела надо совершить определенную работу А, называемую работой выхода электрона. Для каждого металла работа выхода является определенной величиной. Если на металл падает свет, то энергия фотона передается электрону и у электрона может оказаться энергия, достаточная для совершения работы выхода.

hν  А(5.10)

Таким образом, фотоэффект может наблюдаться только тогда, когда энергии фотона hν достаточно для вырывания электрона. Иначе говоря, когда частота света не меньше некоторой величиныν₀, называемойкрасной границей фотоэффекта, она определяется равенством:. Граничной частоте соответствует и граничная длина волны. Для большинства металлов (кроме щелочных) красная граница лежит в ультрафиолетовой области спектра.

Пользуясь законом сохранения энергии, можно установить связь между энергией фотона hν, работой выхода электрона А и максимальной кинетической энергией вылетевшего электрона Ек_max -формула Эйнштейна для фотоэффекта:

или, (5.11)

где m-масса электрона ();

V_max-максимальная скорость фотоэлектрона.

Вид вольт - амперной характеристики свидетельствует, что электроны покидают металл со скоростью, отличной от нуля (при U=0 фототок не равен нулю). Для того, чтобы фототок стал равным нулю, нужно приложить задерживающее напряжение. При таком напряжении ни одному из электронов, не удается преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода.

= еU₃, (5.12)

Измерив задерживающее напряжение U₃, можно определить максимальное значение скоростиVфотоэлектронов (или их кинетической энергии).

Из (рис.5.2,б) видно, что величина фототока Iрастет с увеличением напряженияUмежду катодом и анодом, и достигает (при неизменной интенсивности света) некоторого максимального значенияI_н– тока насыщения. Это возможно, когда все электроны, выбитые светом, достигают анода.

Исследования Столетова привели к установлению законов фотоэффекта (их можно объяснить и с помощью формулы Эйнштейна (5.11), полагая, что каждый фотон может вырвать не более одного электрона):

1. Сила тока насыщения (следовательно, и количество электронов, испускаемых в единицу времени при фотоэффекте), пропорциональна интенсивности падающего света, т.е. количеству фотонов, падающих в единицу времени на единицу поверхности металла (при выполнении условия 5.10);

2. Максимальная скорость (кинетическая энергия) фотоэлектронов зависит от частоты света, но не зависит от его интенсивности.

Основанные на фотоэффекте вакуумные фотоэлементы находят применение в технике.

Рассмотренный выше фотоэффект можно назвать однофотонным. Если в качестве источника света взять мощный лазер, то возникает многофотонный фотоэффект(но это относится в внутреннему фотоэффекту в полупроводниках или в газах).