Внешним фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Закономерности фотоэффекта изучаются на установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 1. Установка состоит из вакуумного диода (фотоэлемента), источника питания и измерительных приборов. В стеклянной колбе фотоэлемента имеется окно, изготовленное из кварцевого стекла, через которое освещается фотокатод.
Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта с катода К, под действием электрического поля перемещаются к аноду А. В результате в цепи фотоэлемента возникает фототок, измеряемый гальванометром G. Напряжение между анодом и катодом, измеряемое вольтметром V, можно изменять с помощью потенциометра П. С помощью данной установки измеряется зависимость силы фототока от напряжения между анодом и катодом, которая называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента. Типичная вольтамперная характеристика фотоэлемента приведена на рис. 2.
 |
Характерными величинами на вольтамперной характеристике являются сила тока насыщения I н (максимальное значение силы фототока, достигаемое при некотором значении напряжения между анодом и катодом фотоэлемента, и не изменяющееся при дальнейшем росте напряжения) и напряжение запирания U З – отрицательное напряжение, при котором сила фототока становится равной нулю.
Исследование зависимости силы тока насыщения и запирающего напряжения от освещенности фотокатода и спектрального состава излучения позволяет установить закономерности фотоэффекта. Для этого снимается два семейства вольт-амперных характеристик – при фиксированной освещенности фотокатода и различном спектральном составе излучения (при различных длинах волн); при постоянном спектральном составе излучения и различных значения освещенности фотокатода.
Анализ семейства вольт-амперных характеристик позволяет установить закономерности фотоэффекта.
1. Для данного спектрального состава излучения сила фототока насыщения прямо пропорционалена освещенности фотокатода.
2. Запирающее напряжение прямо пропорционально частоте излучения и не зависит от освещенности фотокатода.
3. Для каждого материала фотокатода существует свое максимальное значение длины волны или минимальное значение частоты света, освещающего фотокатод, при которых еще возможен фотоэффект. Эти значения длины волны или частоты называются красной границей фотоэффекта – lкр и wкр. При больших значениях длины волны или при меньших значения частоты фототок не возникает.
Теоретическое объяснение закономерностей фотоэффекта было дано А. Эйнштейном, который предположил, что свет поглощается такими же порциями (квантами), какими он, по гипотезе Планка, испускается. Так появилось представление о свете как потоке частиц – фотонов, с энергией 
(
– постоянная Планка).
С этих позиций фотоэффект заключается в поглощении фотонов электронами вещества, которые, усвоив полностью энергию поглощенного фотона , могут покинуть вещество, затратив на это энергию, которая называется работой выхода A. Остаток энергии представляет собой кинетическую энергию E к электрона, покинувшего вещество. Электрон может потерять часть энергии вследствие случайных столкновений в веществе. Если этими потерями пренебречь, то кинетическая энергия свободного электрона будет максимальной. Можно записать соотношение, выражающее закон сохранения энергии для электрона, получившего энергию фотона:
(1)
которое называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.
При отрицательном напряжении между анодом и катодом фотоэлемента фотоэлектроны движутся в тормозящем поле. Преодолеть тормозящее поле и достичь анода могут только электроны, имеющие достаточную кинетическую энергию. Отсюда следует, что напряжение запирания на вольтамперной характеристике связано с максимальной кинетической энергией фотоэлектронов:
(2)
где e – заряд электрона.
Для анализа закономерностей фотоэффекта, наблюдаемых в эксперименте, уравнение Эйнштейна (1) удобно записать в виде
(3)
Красная граница фотоэффекта соответствует частоте (или длине волны) света, которым освещается фотокатод, при которой кинетическая энергия фотоэлектронов и, следовательно, напряжение запирания равны нулю.
Из формулы Эйнштейна следует, что значение частоты, соответствующей красной границе фотоэффекта, определяется работой выхода материала фотокатода:
(4)
В лабораторной работе производится экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, для чего снимаются вольтамперные характеристики фотоэлемента в области запирания фототока, определяются значения напряжения запирания для трех длин волн света и строится график зависимости максимальной кинетической энергии электронов от циклической частоты излучения, освещающего фотокатод (рис. 3).
Соответствие этого графика функциональной зависимости (3) дает основание говорить о справедливости уравнения Эйнштейна, а коэффициенты уравнения прямой, описывающей эту зависимость, найденные с помощью аналитической или графической аппроксимации, позволяют определить постоянную Планка, работу выхода материала фотокатода и красную границу фотоэффекта.
