34 Фотоелектричний ефект. Закони фотоефекту, їх пояснення на основі квантових уявлень. Рівняння Ейнштейна.

Фотоефект був відкритий 1887 року Г. Герцем, а потім досліджений експериментально російським ученим А. Г. Столєтовим.

Фотоефект — явище виривання електронів із твердих і рідких речовин під дією світла.

Якщо вирвані електрони вилітають за межі речовини, фотоефект називається зовнішнім.

Проробивши низку дослідів із фотоефекту (або переглянувши кадри відеофільму), можна дійти висновку: явище фотоефекту практично без-інерційне; інтенсивність фотоефекту залежить від виду металу, величини світлового потоку та спектрального складу випромінювання.

Закони фотоефекту. Закони фотоефекту були експериментально встановлені професором Московського університету А. Г. Столєтовим:

• сила фотоструму насичення прямо пропорційна інтенсивності світла, що падає на катод;

• максимальна початкова швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою;

• для кожної речовини існує мінімальна частота світла, називана червоною межею фотоефекту, нижче за яку фотоефект неможливий.

Закони фотоефекту прості за формою, але залежність кінетичної енергії електронів від частоти має загадковий вигляд.

ТЕОРІЯ ФОТОЕФЕКТУ

1. Пояснення фотоефекту за допомогою хвильової теорії світла. Встановлені дослідним шляхом закони фотоефекту не вдалося пояснити на основі електромагнітної хвильової теорії світла. З точки зору цієї теорії електромагнітна хвиля, досягши поверхні металу, спричиняє вимушені Коливання електронів, відриваючи їх від металу. Але тоді потрібний час Для «розгойдання» електронів, і за малої освітленості металу має виникнути помітне запізнення між; початком освітлення і моментом вильоту електронів, а фотоефект практично безінерційний.

Крім того, кінетична енергія електронів, які залишають метал, має залежати від амплітуди змушуючої сили, а отже й від напруженості електричного поля в електромагнітній хвилі.

2. Квантове пояснення фотоефекту. У 1905 році А. Ейнштейн запропонував теорію, що давала пояснення відразу всій сукупності експериментальних фактів про фотоефект. Розвивши й поглибивши ідеї Планка Ейнштейн дійшов висновку, що світло має не тільки випромінюватися й поглинатися, а також і поширюватися у вигляді окремих порцій енергії — квантів електромагнітного поля. Ці кванти інакше називаються фотонами.

Ейнштейн вважав, що під час взаємодії з речовиною фотон поводиться подібно до частинки та передає свою енергію не речовині в цілому й навіть не атомові, а тільки окремим електронам. Під час поглинання фотона металом його енергія

передається вільному електрону. Вона витрача-

ється на звільнення електрона з металу — на роботу виходу й на надання йому кінетичної енергії. При цьому енергія фотона передасться електронові в металі тільки цілком, а сам фотон перестає існувати.

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту має вигляд:

, де — енергія поглиненого фотона; А — робота виходу електрона з металу;

- кінетична енергія, з якою електрон залишає поверхню металу.

Рівняння Ейнштейна можна розглядати як вираження закону збереження енергії для одиничного акту взаємодії фотона з електроном.

Воно дозволяє пояснити всі закони фотоефекту. Кінетична енергія фотона може бути виражена так: , а його швидкість —

Звідси випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектрона, а отже, і його максимальна початкова швидкість залежать від частоти світла й не залежать від інтенсивності світла.

При рівності кінетична енергія й швидкість фотоелектрона дорівнюють нулю. У цьому випадку електрон ніби «випадає» з металу з нульовою швидкістю. Має місце поріг фотоефекту:

або

Інтенсивність світла прямо пропорційна числу фотонів та енергії кожного з них

Кожний фотон поглинається повністю тільки одним електроном. Тому кількість вирваних світлом фотоелектронів, а отже, й фотострум насичення пропорційні , тобто інтенсивності світла (перший закон фотоефекту).