Внешний фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Это явление было открыто Г. Герцем в 1887 году и объяснено А. Эйнштейном на основе квантовых представлений о природе света. На рисунке 1 представлена схема установки для исследования фотоэффекта.

Свет проходит через кварцевое стекло в стеклянный баллон и освещает электрод К, изготовленный из исследуемого материала. Эти электроды с помощью потенциометрической схемы подключены к источникам постоянного напряжения, позволяющие изменять не только величину приложенного к электродам напряжения, но и полярность.

При освещении электрода Киз него испускаются электроны. Если на электрод А подать положительный, а на электрод К отрицательный потенциал, то испущенные электродом К электроны под действием электрического поля будут двигаться к аноду, образуя в электрической цепи фототок. Возникающий в цепи электрический ток измеряется амперметром (чувствительным гальванометром).

 

Рисунок 1 - Схема установки для исследования фотоэффекта

На рисунке 2 изображена зависимость фототока от приложенного напряжения (вольт-амперная характеристика) при различной мощности монохроматического светового потока (ряд 1 – 0,5 мВт, ряд 2 – 1,0 мВт).

Рисунок 2 – Вольтамперная характеристика

Зависимость фототока от приложенного напряжения носит нелинейный характер. С ростом приложенного напряжения сила фототока увеличивается. При некотором напряжении все испускаемые в единицу времени электроны попадают на анод и сила фототока не изменяется. Этот фототок получил название фототока насыщения. При нулевом напряжении фототок не исчезает. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо на электрод А подключить отрицательный (задерживающий) потенциал. С увеличением мощности светового потока наблюдается рост фототока насыщения при неизменном значении задерживающего потенциала (задерживающего напряжения).

Количественные закономерности фотоэффекта были установлены русским физиком А.Г.Столетовым (1839-1896):

1. Сила фототока насыщения пропорциональна световому потоку, падающему на поверхность тела.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от мощности светового излучения.

3. Если частота света меньше некоторой определенной для исследуемого вещества минимальной частоты, то фотоэффект не наблюдается. Для каждого вещества существует «красная граница», т.е. минимальная частота, ниже которой фотоэффект не происходит. При этом, величина задерживающего напряжения не зависит от интенсивности светового потока, а зависит от частоты света.

Объяснение основных законов фотоэффекта было дано А.Эйнштейном в 1905 году. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта получено на основе закона сохранения энергии для электрон-фотонного взаимодействия. Энергия падающего фотона hν расходуется на работу выхода электрона A из металла (материала электрода К) и на сообщение электрону максимальной кинетической энергии :

. (1)

Учитывая, что , а , соотношение (1) будет иметь вид:

. (2)

Формулы (1) или (2) могут быть использованы для расчета постоянной Планка.

 

Для двух длин волн формулы Эйнштейна для внешнего фотоэффекта имеют вид , , где λ ₁ и λ ₂ - длины волн и соответствующие им запирающие напряжения U_{З 1} и U_{З 2}. Исключив из этих уравнений работу выхода, получим следующую формулу для расчета постоянной Планка:

. (3)

При этом работа выхода электрона из электрода К может быть рассчитана по формуле:

. (4)

Компьютерный эксперимент

Компьютерный эксперимент позволяет исследовать зависимость силы фототока от приложенного прямого и обратного напряжения, проанализировать вольтамперные характеристики. При проведении эксперимента на экран дисплея выводятся данные о приложенном напряжении, фототоке, длине волны, мощности излучения.

Эксперимент предусматривает проведение расчетов постоянной Планка, работы выхода электрона из материалов электрода К, анализ приборной и случайной погрешности проводимых измерений и расчетов.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Компьютер.

2. Программа «Открытая физика 1.1» ООО «Физикон».