Внешний фотоэффект. Определение работы выхода электронов из металла

 

В научных представлениях о природе света на протяжении многих веков соперничали две концепции: континуальная (концепция непрерывности) и корпускулярная (концепция дискретности).

В первой половине 20-го века было доказано, что свет (электромагнитное излучение) обладает двойственностью, а именно, в одних случаях он ведет себя как волна, а в других как частица (корпускула). Эта двойственность называется корпускулярно-волновым дуализмом.

Электромагнитные волны - это совместно распространяющиеся в пространстве колебания электрического и магнитного полей. Английским ученым Дж. Максвеллом было доказано, что свет представляет собой совокупность электромагнитных волн, скорость движения которых в вакууме составляет м/с. Волновые свойства света проявляются в таких явлениях как интерференция и дифракция.

 

Согласно корпускулярной модели свет распространяется в виде потока частиц – фотонов. Фотон – особая частица. Поскольку скорость ее движения в пространстве равна скорости света «с», в соответствии с теорией относительности, масса покоя фотона равна нулю. Энергия одного фотона (кванта) определяется соотношением:

 

ε = hν = , (4.1)

где h – постоянная Планка, Дж·с;

ν – частота света;

λ – длина волны света.

 

Корпускулярной природой света объясняются многие явления, которые невозможно было понять с волновой точки зрения. К таким явлениям относится внешний фотоэлектрический эффект, открытый в 1887 г.

Г. Герцем.

Внешний фотоэффектсостоит в том, что свет, падая на поверхность металла, выбивает из него электроны.

Из опытов было установлено, что способностью осуществлять фотоэффект обладают не все фотоны или кванты света. Например, под действием красного света фотоэффект не происходит, а вот синий свет и ультрафиолет выбивают электроны из металла. Это объясняется тем, что у квантов красного (более длинноволнового и, соответственно, с меньшей частотой) излучения энергия, определяемая по формуле (4.1), меньше, чем у синего (коротковолнового).

Теорию фотоэффекта создал А. Эйнштейн. Он предположил, что падающий на металл фотон передает свою энергию электрону. Электрон расходует полученную энергию на то, чтобы оторваться от поверхности металла и приобрести скорость, т.е. кинетическую энергию.

Энергия, которая требуется для вырывания электрона с поверхности металла, называется работой выхода ( А).

Работа выхода электронов из металла является характеристикой данного металла. Ее принято определять в электрон-вольтах ( Дж). Например, для меди А = 4,3 эВ, для цезия А = 1,8 эВ и т.д.

 

Уравнение, которым описывается фотоэффект, называется уравнением Эйнштейна:

. (4.2)

 

Существует понятие «красной границы» фотоэффекта – это наибольшая длина волны или наименьшая частота падающего на металл света, при которой фотоэффект еще возможен.

Если энергия кванта такова, что она равна в точности работе выхода, то электрон вылетит с поверхности металла и, не приобретя кинетической энергии, упадет обратно. Это позволяет определить работу выхода электрона из металла:

 

или . (4.3)

 

Следует отметить, что явление фотоэффекта можно наблюдать не только на металлах. В настоящее время внешним фотоэффектом называют испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Таким веществом могут быть как твердые тела, так и жидкости. Вообще фотоэффект – один из основных способов взаимодействия излучения с веществом.

Фотоэффект нашел широкое применение в технике. На его основе сконструированы фотоэлементы, которые используются в самых современных автоматических системах и устройствах. Например, в турникетах метрополитена, блокировочных устройствах и т.п.

 

 

Цель работы:определение работы выхода электронов из металла.

Работа выполняется на компьютере. При каждой загрузке программы компьютер назначает работу выхода случайным образом.

 

Порядок выполнения работы

1. Запустите программу, щелкнув мышкой на значке «Определение энергии фотона» на рабочем столе компьютера. Определите цену деления шкалы видимого спектра.

 

2. Выберите любой цвет участка спектра и щелкните клавишей мышки. Запишите в черновике длину волны. Теперь внимательно смотрите, как взаимодействует выбранный Вами фотон и металл. Если фотон при достижении металла не выбивает электрон, то его энергия меньше работы выхода.

 

 

3. Уменьшайте постепенно длину волны, повторяя пункт 2 до тех пор, пока фотон не выбьет электрон, который Вы увидите на поверхности металла. Запишите эту длину волны .

 

4. Теперь убедитесь в том, что фотон длиной волны больше, чем , не выбивает электрон. Если это так, то значит, вы нашли красную границу, т.е. максимальную длину волны для данного металла, которая вызывает фотоэффект. Погрешность определения длины волны равна цене деления шкалы.

 

 

5. По формуле (4.3) определите работу выхода А электронов из данного металла.

6. По формуле рассчитайте погрешность к определенной работе выхода электронов.

 

7. Переведите результат измерений и его погрешность из Джоулей в электрон-вольты.

 

 

8. Окончательно запишите результаты расчетов в виде:

 

А = (А ± Δ А) эВ.

 

Контрольные вопросы

1. В чем основная суть понятия «корпускулярно-волновой дуализм»?

2. В каких явлениях проявляются волновые свойства света?

3. Что такое внешний фотоэффект?

4. Почему фотоэффект наблюдается не для всех диапазонов электромагнитного излучения?

5. Что означает понятие «красная граница» фотоэффекта?

6. Почему работа выхода является характеристикой определенного металла? Что это такое?

 

 

Лабораторная работа №5