§ 3 . Фотоэффект

Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием света.

Обнаружил явление фотоэффекта Генрих Герц (1857 – 1894) в 1887 году. Он заметил, что проскакивание искры между шариками разрядника значительно облегчается, если один из шариков осветить ультрафиолетовыми лучами.

Затем в1888-1890 -х годах фотоэффект исследовал Александр Григорьевич Столетов (1839 – 1896).

Он установил, что:

наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;

с ростом светового потока растет фототок;

заряд частиц, вылетающих из твердых и жидких тел под действием света отрицателен.

Параллельно со Столетовым фотоэффект исследовал немецкий ученый Филипп Ленард (1862 – 1947).

Они и установили основные законы фотоэффекта.

Прежде чем сформулировать эти законы, рассмотрим современную схему для наблюдения и исследования фотоэффекта. Она проста. В стеклянных баллон впаяны два электрода (катод и анод), на которые подается напряжениеU. В отсутствии света амперметр показывает, что тока в цепи нет.

Когда катод освещается светом даже при отсутствии напряжения между катодом и анодом амперметр показывает наличие небольшого тока в цепи – фототока. То есть электроны, вылетевшие из катода, обладают некоторой кинетической энергией
и достигают анода «самостоятельно».

При увеличении напряжения фототок растет.

Зависимость величины фототока от величины напряжения между катодом и анодом называется вольтамперной характеристикой.

Она имеет следующий вид. При одной и той же интенсивности монохроматического света с ростом напряжения ток сначала растет, но затем его рост прекращается.Начиная с некоторого значения ускоряющего напряжения, фототок перестает изменяться, достигая своего максимального (при данной интенсивности света) значения. Этот фототок называется током насыщения.

Чтобы «запереть» фотоэлемент, то есть фототок уменьшить до нуля, необходимо подать «запирающее напряжение»
. В этом случае электростатическое поле совершает работу и тормозит вылетевшие фотоэлектроны

. (1)

Это означает, что ни один из вылетающих из металла электронов не достигает анода, если потенциал анода ниже потенциала катода на величину
.

Эксперимент показал, чтопри изменении частоты падающего света начальная точка графика сдвигается по оси напряжений. Из этого следует, что величина запирающего напряжения, а, следовательно, кинетическая энергия и максимальная скорость вылетающих электронов, зависят от частоты падающего света.

Первый закон фотоэффекта . Величина максимальной скорости вылетающих электронов зависит от частоты падающего излучения (растет с ростом частоты) и не зависит от его интенсивности.

Если сравнить вольтамперные характеристики, полученные при разных значениях интенсивности (на рисункеI 1 и I 2) падающего монохроматического (одночастотного) света, то можно заметить следующее.

Во-первых, все вольтамперные характеристики берут начало в одной и той же точке, то есть, при любой интенсивности света фототок обращается в ноль при конкретном (для каждого значения частоты) задерживающем напряжении
. Это является еще одним подтверждением верности первого закона фотоэффекта.

Во-вторых. При увеличении интенсивности падающего света характер зависимости тока от напряжения не изменяется, лишь увеличивается величина тока насыщения.

Второй закон фотоэффекта . Величина тока насыщения пропорциональная величине светового потока.

При изучении фотоэффекта было установлено, что не всякое излучение вызывает фотоэффект.

Третий закон фотоэффекта . Для каждого вещества существует минимальная частота (максимальная длина волны) при которой еще возможен фотоэффект.

Эту длину волны называют «красной границей фотоэффекта» (а частоту – соответствующей красной границе фотоэффекта).

Через 5 лет после появления работы Макса Планка Альберт Эйнштейн использовал идею дискретности излучения света для объяснения закономерностей фотоэффекта. эйнштейн предположил, что свет не только излучается порциями, но и распространяется и поглощается порциями. Это означает, что дискретность электромагнитных волн – это свойство самого излучения, а не результат взаимодействия излучения с веществом. По Эйнштейну, квант излучения во многом напоминает частицу. Квант либо поглощается целиком, либо не поглощается вовсе. Эйнштейн представил вылет фотоэлектрона как результат столкновения фотона с электроном металла, при котором вся энергия фотона передается электрону. Так Эйнштейн создал квантовую теорию света и, исходя из нее, написал уравнение для фотоэффекта:

.

Здесь – постоянная Планка,– частота,
– работа выхода электрона из металла,
– масса покоя электрона,v – скорость электрона.

Это уравнение объясняло все экспериментально установленные законы фотоэффекта.

Так как работа выхода электрона из вещества постоянна, то, с ростом частоты, растет и скорость электронов.

Каждый фотон выбивает один электрон. Следовательно, количество выбитых электронов не может быть больше числа фотонов. Когда все выбитые электроны достигнут анода, фототок расти прекращает. С ростом интенсивности света растет и число фотонов, падающих на поверхность вещества. Следовательно, увеличивается число электронов, которые эти фотоны выбивают. При этом растет фототок насыщения.

Если энергии фотоны хватает лишь на совершение работы выхода, то скорость вылетающий электронов будет равна нулю. Это и есть «красная граница» фотоэффекта.

Внутренний фотоэффект наблюдается в кристаллических полупроводниках и диэлектриках. Он состоит в том, что под действием облучения увеличивается электропроводность этих веществ за счет возрастания в них числа свободных носителей тока (электронов и дырок).

Иногда это явление называют фотопроводимостью.

ЯГМА

Медицинская физика

Лечебный факультет

1 Курс

2 семестр

Лекция № 9

« Фотоэффект »

Составил: Бабенко Н.И..

2011 г.

Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта.

Фотоэффект – группа явлений, связанных с испусканием электронов возбужденными атомами вещества за счет энергии поглощенных фотонов. Открыт немецким ученым Герцем в 1887 году. Экспериментально изучен русским ученым А.Г. Столетовым (1888 – 1890г.г.).Теоретически объяснен А. Эйнштейном (1905 г.).

Виды фотоэффекта.

Внутренний фотоэффект:

а. Изменение проводимости среды под действием света, фоторезистивный эффект , характерен для полупроводников.

б. Изменение диэлектрической проницаемости среды под действием света, фотодиэлектрический эффект, характерен для диэлектриков.

в. Возникновение фото ЭДС, фотогальванический эффект , характерен для неоднородных полупроводников p и n -типа.

Внешний фотоэффект:

Это явление выхода (эмиссии) электронов из вещества в вакуум за счет энергии поглощенных фотонов.

Фотоэлектроны – это электроны вырванные из атомов вещества за счет фотоэффекта.

Фототок – это электрический ток, образованный упорядоченным движением фотоэлектронов во внешнем электрическом поле.

Свет (Ф) «К» и «А» - электроды,

помещенные в вакуум

«V» - фиксирует напряжение

между электродами

«G» - фиксирует фототок

К(-) А (+) «П» - потенциометр для

изменения напряжения

«Ф» - световой поток

Рис. 1. Установка для изучения законов внешнего фотоэффекта.

I Закон внешнего фотоэффекта (закон Столетова).

С
ила фототока насыщения (т. е. количество электронов, испускаемых с катода в единицу времени) пропорциональна световому потоку, падающему на металл (Рис. 2).

где k – коэффициент пропорциональности, или чувствительности металла к фотоэффекту

Рис. 2. Зависимость фототоков насыщения (I 1 , I 2 , I 3) от интенсивности световых потоков: Ф 1 > Ф 2 > Ф 3 .Частота падающих световых потоков постоянна.

II закон фотоэффекта (закон Эйнштейна - Ленарда).

Если поменять местами полюса батареи источника ((К(+), А(-)), то между катодом (К) и анодом (А) возникает электрическое поле, которое тормозит движение электронов. При некотором запирающем значении обратного напряжения Uз фототок равен 0 (Рис. 3).

Рис. 3. Зависимость фототоков насыщения для разных частот падающего света при постоянной интенсивности падающего света.

В этом случае электроны вылетающие с катода, даже с максимальной скоростью Vmax, не смогут пройти через запирающее поле.

Измерив значение запирающего напряжения Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию E k max выбиваемых излучением электронов. При изменении интенсивности светового потока Ф, максимальная кинетическая энергия E k max не изменяется, но если увеличить частоту электромагнитного излучения (сменить видимый свет на ультрафиолетовый), то максимальная кинетическая энергия E k max фотоэлектронов увеличится.

Н
ачальная кинетическая энергия фотоэлектрона пропорциональна частоте падающего излучения и не зависит от его интенсивности.

где h постоянная Планка, v частота падающего света.

III закон внешнего фотоэффекта (Закон красной границы).

Если последовательно облучать катод различными монохроматическими излучениями, можно обнаружить, что с увеличением длины волны λ, энергия фотоэлектронов уменьшается и при некотором значении длины волны λ, внешний фотоэффект прекращается.

Наибольшее значение длины волны λ ( или наименьшее значение частоты v ) при которой внешний фотоэффект еще имеет место, называется красной границей фотоэффекта для данного вещества.

Для серебра λкр = 260нм

Для цезия λкр =>620 нм

2. Уравнение Энштейна и его применение к трем законам фотоэффекта.

В
1905 году Энштейн дополнил теорию Планка предположив/, что свет, взаимодействуя с веществом, поглощается такими же элементарными порциями (квантами, фотонами), какими он по теории Планка и испускается.

Фотон – это частица, не обладающая массой покоя (m 0 =0), и движущаяся со скоростью, равной скорости света в вакууме (c=3·10 8 м/с).

Квант –- порция энергии фотона.

В основе уравнения Эйнштейна для фотоэффекта лежат три постулата:

1. Фотоны взаимодействуют с электронами атома вещества и полностью поглощаются ими.

2. Один фотон взаимодействует только с одним электроном.

3. Каждый поглощенный фотон освобождает один электрон. При этом энергия фотона «ħλ» расходуется на работу выхода «ē» с поверхности вещества А вых и на сообщене ему кинетической энергии

ћ·ν = ћ· =
- уравнение Эйнштейна

Эта энергия «ħν» -будет максимальной, если электроны отрываются от поверхности.

Применение уравнения к объяснению трех законов фотоэффекта.

К I закону:

При увеличении интенсивности монохроматичного излучения растет число поглощенных металлом квантов, поэтому растет и число вылетающих из него электронов и растет сила фототока:

Ко II закону:

И
з уравнения Эйнштейна:

Т.е. Е k max фотоэлектрона зависит только от рода металла (А вых.) и от частоты ν(λ) падающего излучения и не зависит от интенсивности излучения (Ф).

К III закону:

ħν<А вых – то при любой интенсивности излученя фотоэффекта не будет, т.к. этой энергии фотона не хватит, чтобы вырвать ē из вещества.

ħν>А вых – фотоэффект наблюдается, так как энергии фотона хватит и на работу выхода А вых., и на сообщение ē кинетической энергии Е к max .

ħν=А вых – граница фотоэффекта при которой

и энергии фотона хватает только на выход ē с поверхности металла.

В этом случае уравнение Эйнштейна имеет вид:

Красная граница фотоэффекта

Темы кодификатора ЕГЭ : гипотеза М.Планка о квантах, фотоэффект, опыты А.Г.Столетова, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Фотоэффект - это выбивание электронов из вещества падающим светом. Явление фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем в 1887 году в ходе его знаменитых экспериментов по излучению электромагнитных волн.
Напомним, что Герц использовал специальный разрядник (вибратор Герца) - разрезанный пополам стержень с парой металлических шариков на концах разреза. На стержень подавалось высокое напряжение, и в промежутке между шариками проскакивала искра. Так вот, Герц обнаружил, что при облучении отрицательно заряженного шарика ультрафиолетовым светом проскакивание искры облегчалось.

Герц, однако, был поглощён исследованием электромагнитных волн и не принял данный факт во внимание. Год спустя фотоэффект был независимо открыт русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Тщательные экспериментальные исследования, проведённые Столетовым в течение двух лет, позволили сформулировать основные законы фотоэффекта.

Опыты Столетова

В своих знаменитых экспериментах Столетов использовал фотоэлемент собственной конструкции (Фотоэлементом называется любое устройство, позволяющее наблюдать фотоэффект). Его схема изображена на рис. 1 .

Рис. 1. Фотоэлемент Столетова

В стеклянную колбу, из которой выкачан воздух (чтобы не мешать лететь электронам), введены два электрода: цинковый катод и анод . На катод и анод подаётся напряжение, величину которого можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром .

Сейчас на катод подан «минус», а на анод - «плюс», но можно сделать и наоборот (и эта перемена знака - существенная часть опытов Столетова). Напряжению на электродах приписывается тот знак, который подан на анод (Поэтому поданное на электроды напряжение часто называют анодным напряжением ). В данном случае, например, напряжение положительно.

Катод освещается ультрафиолетовыми лучами УФ через специальное кварцевое окошко, сделанное в колбе (стекло поглощает ультрафиолет, а кварц пропускает). Ультрафиолетовое излучение выбивает с катода электроны , которые разгоняются напряжением и летят на анод. Включённый в цепь миллиамперметр регистрирует электрический ток. Этот ток называется фототоком , а выбитые электроны, его создающие, называются фотоэлектронами .

В опытах Столетова можно независимо варьировать три величины: анодное напряжение, интенсивность света и его частоту.

Зависимость фототока от напряжения

Меняя величину и знак анодного напряжения, можно проследить, как меняется фототок. График этой зависимости, называемый характеристикой фотоэлемента , представлен на рис. 2 .

Рис. 2. Характеристика фотоэлемента

Давайте обсудим ход полученной кривой. Прежде всего заметим, что электроны вылетают из катода с различными скоростями и в разных направлениях; максимальную скорость, которую имеют фотоэлектроны в условиях опыта, обозначим .

Если напряжение отрицательно и велико по модулю, то фототок отсутствует. Это легко понять: электрическое поле, действующее на электроны со стороны катода и анода, является тормозящим (на катоде «плюс», на аноде «минус») и обладает столь большой величиной, что электроны не в состоянии долететь до анода. Начального запаса кинетической энергии не хватает - электроны теряют свою скорость на подступах к аноду и разворачиваются обратно на катод. Максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов оказывается меньше, чем модуль работы поля при перемещении электрона с катода на анод:

Здесь кг - масса электрона, Кл - его заряд.

Будем постепенно увеличивать напряжение, т.е. двигаться слева направо вдоль оси из далёких отрицательных значений.

Поначалу тока по-прежнему нет, но точка разворота электронов становится всё ближе к аноду. Наконец, при достижении напряжения , которое называется задерживающим напряжением , электроны разворачиваются назад в момент достижения анода (иначе говоря, электроны прибывают на анод с нулевой скоростью). Имеем:

(1)

Таким образом, величина задерживающего напряжения позволяет определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов .

При небольшом превышении задерживающего напряжения появляется слабый фототок. Его формируют электроны, вылетевшие с максимальной кинетической энергией почти точно вдоль оси колбы (т.е. почти перпендикулярно катоду): теперь электронам хватает этой энергии, чтобы добраться до анода с ненулевой скоростью и замкнуть цепь. Остальные электроны, которые имеют меньшие скорости или полетели в сторону от анода, на анод не попадают.

При повышении напряжения фототок увеличивается. Анода достигает большее количество электронов, вылетающих из катода под всё большими углами к оси колбы. Обратите внимание, что фототок присутствует при нулевом напряжении!

Когда напряжение выходит в область положительных значений, фототок продолжает возрастать. Оно и понятно: электрическое поле теперь разгоняет электроны, поэтому всё большее их число получают шанс оказаться на аноде. Однако достигают анода пока ещё не все фотоэлектроны. Например, электрон, вылетевший с максимальной скоростью перпендикулярно оси колбы (т.е. вдоль катода), хоть и развернётся полем в нужном направлении, но не настолько сильно, чтобы попасть на анод.

Наконец, при достаточно больших положительных значениях напряжения ток достигает своей предельной величины , называемой током насыщения , и дальше возрастать перестаёт.

Почему? Дело в том, что напряжение, ускоряющее электроны, становится настолько велико, что анод захватывает вообще все электроны, выбитые из катода - в каком бы направлении и с какими бы скоростями они не начинали движение. Стало быть, дальнейших возможностей увеличиваться у фототока попросту нет - ресурс, так сказать, исчерпан.

Законы фотоэффекта

Величина тока насыщения - это, по существу, количество электронов, выбиваемых из катода за одну секунду. Будем менять интенсивность света, не трогая частоту. Опыт показывает, что ток насыщения меняется пропорционально интенсивности света.

Первый закон фотоэффекта . Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте) .

Ничего неожиданного в этом нет: чем больше энергии несёт излучение, тем ощутимее наблюдаемый результат. Загадки начинаются дальше.

А именно, будем изучать зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты и интенсивности падающего света. Сделать это несложно: ведь в силу формулы (1) нахождение максимальной кинетической энергии выбитых электронов фактически сводится к измерению задерживающего напряжения.

Сначала меняем частоту излучения при фиксированной интенсивности. Получается такой график (рис. 3 ):

Рис. 3. Зависимость энергии фотоэлектронов от частоты света

Как видим, существует некоторая частота , называемая красной границей фотоэффекта , разделяющая две принципиально разные области графика. Если , то фотоэффекта нет.

Если же class="tex" alt="\nu > \nu_0"> , то максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растёт с частотой.

Теперь, наоборот, фиксируем частоту и меняем интенсивность света. Если при этом , то фотоэффект не возникает, какова бы ни была интенсивность! Не менее удивительный факт обнаруживается и при class="tex" alt="\nu > \nu_0"> : максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов от интенсивности света не зависит.

Все эти факты нашли отражение во втором и третьем законах фотоэффекта.

Второй закон фотоэффекта . Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности .

Третий закон фотоэффекта . Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта - наименьшая частота света , при которой фотоэффект ещё возможен. При фотоэффект не наблюдается ни при какой интенсивности света .

Трудности классического объяснения фотоэффекта

Как можно было бы объяснить фотоэффект с точки зрения классической электродинамики и волновых представлений о свете?

Известно, что для вырывания электрона из вещества требуется сообщить ему некоторую энергию , называемую работой выхода электрона. В случае свободного электрона в металле это работа по преодолению поля положительных ионов кристаллической решётки, удерживающего электрон на границе металла. В случае электрона, находящегося в атоме, работа выхода есть работа по разрыву связи электрона с ядром.

В переменном электрическом поле световой волны электрон начинает совершать колебания.

И если энергия колебаний превысит работу выхода, то электрон будет вырван из вещества.

Однако в рамках таких представлений невозможно понять второй и третий законы фотоэффекта . Действительно, почему кинетическая энергия выбитых электронов не зависит от интенсивности излучения? Ведь чем больше интенсивность, тем больше напряжённость электрического поля в электромагнитной волне, тем больше сила, действующая на электрон, тем больше энергия его колебаний и с тем большей кинетической энергией электрон вылетит из катода. Логично? Логично. Но эксперимент показывает иное.

Далее, откуда берётся красная граница фотоэффекта? Чем «провинились» низкие частоты? Казалось бы, с ростом интенсивности света растёт и сила, действующая на электроны; поэтому даже при низкой частоте света электрон рано или поздно будет вырван из вещества - когда интенсивность достигнет достаточно большого значения. Однако красная граница ставит жёсткий запрет на вылет электронов при низких частотах падающего излучения.

Кроме того, неясна безынерционность фотоэффекта. Именно, при освещении катода излучением сколь угодно слабой интенсивности (с частотой выше красной границы) фотоэффект начинается мгновенно - в момент включения освещения. Между тем, казалось бы, электронам требуется некоторое время для «расшатывания» связей, удерживающих их в веществе, и это время «раскачки» должно быть тем больше, чем слабее падающий свет. Аналогия такая: чем слабее вы толкаете качели, тем дольше придётся их раскачивать до заданной амплитуды.

Выглядит опять-таки логично, но опыт - единственный критерий истины в физике! - этим доводам противоречит.

Так на рубеже XIX и XX столетий в физике возникла тупиковая ситуация: электродинамика, предсказавшая существование электромагнитных волн и великолепно работающая в диапазоне радиоволн, отказалась объяснять явление фотоэффекта.

Выход из этого тупика был найден Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он нашёл простое уравнение, описывающее фотоэффект. Все три закона фотоэффекта оказались следствиями уравнения Эйнштейна.

Главная заслуга Эйнштейна состояла в отказе от попыток истолковать фотоэффект с позиций классической электродинамики. Эйнштейн привлёк к делу смелую гипотезу о квантах, высказанную Максом Планком пятью годами ранее.

Гипотеза Планка о квантах

Классическая электродинамика отказалась работать не только в области фотоэффекта. Она также дала серьёзный сбой, когда её попытались использовать для описания излучения нагретого тела (так называемого теплового излучения).

Суть проблемы состояла в том, что простая и естественная электродинамическая модель теплового излучения приводила к бессмысленному выводу: любое нагретое тело, непрерывно излучая, должно постепенно потерять всю свою энергию и остыть до абсолютного нуля. Как мы прекрасно знаем, ничего подобного не наблюдается.

В ходе решения этой проблемы Макс Планк высказал свою знаменитую гипотезу.

Гипотеза о квантах . Электромагнитная энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными неделимыми порциями - квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения :

(2)

Cоотношение (2) называется формулой Планка , а коэффициент пропорциональности - постоянной Планка .

Принятие этой гипотезы позволило Планку построить теорию теплового излучения, прекрасно согласующуюся с экспериментом. Располагая известными из опыта спектрами теплового излучения, Планк вычислил значение своей постоянной:

Дж·с. (3)

Успешность гипотезы Планка наводила на мысль, что законы классической физики неприменимы к малым частицам вроде атомов или электронов, а также к явлениям взаимодействия света и вещества. Подтверждением данной мысли как раз и послужило явление фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Гипотеза Планка говорила о дискретности излучения и поглощения электромагнитных волн, то есть о прерывистом характере взаимодействия света с веществом. При этом Планк считал, что распространение света - это непрерывный процесс, происходящий в полном соответствии с законами классической электродинамики.

Эйнштейн пошёл ещё дальше: он предположил, что свет в принципе обладает прерывистой структурой: не только излучение и поглощение, но также и распространение света происходит отдельными порциями - квантами, обладающими энергией .

Планк рассматривал свою гипотезу лишь как математический трюк и не решился опровергнуть электродинамику применительно к микромиру. Физической реальностью кванты стали благодаря Эйнштейну.

Кванты электромагнитного излучения (в частности, кванты света) стали впоследствии называться фотонами . Таким образом, свет состоит из особых частиц - фотонов, движущихся в вакууме со скоростью .

Каждый фотон монохроматического света, имеющего частоту , несёт энергию .

Фотоны могут обмениваться энергией и импульсом с частицами вещества (об импульсе фотона речь пойдёт в следующем листке); в таком случае мы говорим о столкновении фотона и частицы. В частности, происходит столкновение фотонов с электронами металла катода.

Поглощение света - это поглощение фотонов, то есть неупругое столкновение фотонов с частицами (атомами, электронами). Поглощаясь при столкновении с электроном, фотон передаёт ему свою энергию. В результате электрон получает кинетическую энергию мгновенно, а не постепенно, и именно этим объясняется безынерционность фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта есть не что иное, как закон сохранения энергии. На что идёт энергия фотона ? при его неупругом столкновении с электроном? Она расходуется на совершение работы выхода по извлечению электрона из вещества и на придание электрону кинетической энергии :

(4)

Слагаемое оказывается максимальной кинетической энергией фотоэлектронов. Почему максимальной? Этот вопрос требует небольшого пояснения.

Электроны в металле могут быть свободными и связанными. Свободные электроны «гуляют» по всему металлу, связанные электроны «сидят» внутри своих атомов. Кроме того, электрон может находиться как вблизи поверхности металла, так и в его глубине.

Ясно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона получится в том случае, когда фотон попадёт на свободный электрон в поверхностном слое металла - тогда для выбивания электрона достаточно одной лишь работы выхода.

Во всех других случаях придётся затрачивать дополнительную энергию - на вырывание связанного электрона из атома или на «протаскивание» глубинного электрона к поверхности.

Эти лишние затраты приведут к тому, что кинетическая энергия вылетевшего электрона окажется меньше.

Замечательное по простоте и физической ясности уравнение (4) содержит в себе всю теорию фотоэффекта. Давайте посмотрим, какое объяснение получают законы фотоэффекта с точки зрения уравнения Эйнштейна.

1. Число выбиваемых электронов пропорционально числу поглощённых фотонов. С увеличением интенсивности света количество фотонов, падающих на катод за секунду, возрастает.

Стало быть, пропорционально возрастает число поглощённых фотонов и, соответственно, число выбитых за секунду электронов.

2. Выразим из формулы (4) кинетическую энергию:

Действительно, кинетическая энергия выбитых электронов линейно растёт с частотой и не зависит от интенсивности света.

Зависимость кинетической энергии от частоты имеет вид уравнения прямой, проходящей через точку . Этим полностью объясняется ход графика на рис. 3 .

3. Для того, чтобы начался фотоэффект, энергии фотона должно хватить как минимум на совершение работы выхода: . Наименьшая частота , определяемая равенством

как раз и будет красной границей фотоэффекта. Как видим, красная граница фотоэффекта определяется только работой выхода, т.е. зависит лишь от вещества облучаемой поверхности катода.

Если , то фотоэффекта не будет - сколько бы фотонов за секунду не падало на катод. Следовательно, интенсивность света роли не играет; главное - хватает ли отдельному фотону энергии, чтобы выбить электрон.

Уравнение Эйнштейна (4) даёт возможность экспериментального нахождения постоянной Планка. Для этого надо предварительно определить частоту излучения и работу выхода материала катода, а также измерить кинетическую энергию фотоэлектронов.

В ходе таких опытов было получено значение , в точности совпадающее с (3) . Такое совпадение результатов двух независимых экспериментов - на основе спектров теплового излучения и уравнения Эйнштейна для фотоэффекта - означало, что обнаружены совершенно новые «правила игры», по которым происходит взаимодействие света и вещества. В этой области классическая физика в лице механики Ньютона и электродинамики Максвелла уступает место квантовой физике - теории микромира, построение которой продолжается и сегодня.

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется процесс испускания электронов веществом при поглощении им квантов электромагнитного излучения (фотонов). Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г.Герцем, который обнаружил, что искровой разряд между двумя металлическими шариками происходит значительно интенсивнее, если один из шариков освещать ультрафиолетовыми лучами. После открытия электрона измерение удельного заряда вылетающих из металла под действием излучения частиц позволило установить, что частицы являются электронами.

Детальное экспериментальное исследование закономерностей внешнего фотоэффекта для металлов было выполнено в 1888 – 1889 гг. А.Г.Столетовым на установке с фотоэлементом, схема которой приведена на рисунке. Фотоэлемент в виде вакуумной двухэлектродной лампы имеет металлический катод К , который при освещении его через кварцевое окошко видимым светом или ультрафиолетовым излучением испускает электроны. Вылетевшие из катода фотоэлектроны, достигая анода А , обеспечивают протекание в цепи электрического тока, который фиксируется гальванометром или миллиамперметром. Специальная схема подключения источника позволяет изменять полярность напряжения, подаваемого на фотоэлемент.

На следующем рисунке представлена зависимость фототока от напряжения между катодом и анодом (вольт-амперные характеристики) при падении на катод монохроматического света с длиной волны при неизменном световом потоке для двух значений светового потока ( > ). Из вольт-амперной характеристики видно, что при некотором положительном напряжении фототок достигает насыщения – все электроны, испущенные катодом, достигают анода. Ток насыщения определяется числом электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света. Из рисунка видно, что число электронов, вылетающих из катода при данной частоте падающего света зависит от светового потока ( > ) так как ( > ). При напряжении фототок не исчезает, это свидетельствует о том, что электроны покидают катод со скоростью, отличной от нуля, т.е. обладают кинетической энергией, достаточной для достижения анода. При отрицательном напряжении испущенный катодом электрон попадает в тормозящее электрическое поле, преодолеть которое он может, лишь имея определенный запас кинетической энергии. Электрон с малой кинетической энергией, вылетев из катода, не может преодолеть тормозящее поле и попасть на анод. Такой электрон возвращается на катод, не давая вклада в фототок. Поэтому, плавный спад фототока в области отрицательных напряжений указывает на то, что вылетающие из катода фотоэлектроны имеют разные значения кинетической энергии. При некотором отрицательном напряжении , величину которого называют задерживающим напряжением (потенциалом), фототок становится равным нулю. При таком напряжении ни одному из электронов не удается преодолеть задерживающее поле и долететь до анода. Соответствующее тормозящее электрическое поле при этом задерживает все вылетающие из катода электроны, включая электроны с максимальной кинетической энергией.

Измерив задерживающее напряжение, можно определить эту максимальную энергию или максимальную скорость фотоэлектронов из соотношения

, (6.41.1)

где – масса электрона, – заряд электрона, – максимальная скорость вылетевших электронов.

Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов (следовательно и ) линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от светового потока (см. рисунок, приведенный ниже).

2. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта , то есть наименьшая частота , при которой еще возможен внешний фотоэффект.

3. При неизменном спектральном составе падающего на катод света число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально световому потоку :

Это утверждение носит название закона Столетова.

4. Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.

Попытки объяснить закономерности фотоэффекта с использованием классической волновой теории, в которой излучение рассматривалось как электромагнитные волны, приводили к выводам, противоположным наблюдаемым в эксперименте. Действительно, объясняя вырывание электронов из металла силовым воздействием на них со стороны электрического поля волны, такая теория неизбежно приходила к выводу о том, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов должна определяться световым потоком, падающим на катод. Наличие красной границы у фотоэффекта также противоречило выводам волновой теории.

Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе развития гипотезы М. Планка о том, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций – квантов, энергия которых зависит от частоты. Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что и свет имеет прерывистую дискретную структуру: свет не только испускается, но и распространяется и взаимодействует с веществом в виде отдельных порций.

Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов , впоследствии названных фотонами . При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Если электрон находится на самой поверхности, Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода , зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

(6.41.3)

Таким образом, энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии По закону сохранения энергии

(6.41.4)

Выражение (6.41.4) называется формулой (уравнением) Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта. Если энергия падающих фотонов < , то фотоэффект не наблюдается. Отсюда частота и длина волны красной границы фотоэффекта определяются слеющими формулами:

(6.41.5)

Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Важной количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход, определяющий число вылетевших электронов, приходящихся на один падающий на металл фотон. Вблизи красной границы для большинства металлов квантовый выход составляет порядка 10 -4 электрон/фотон. Малость квантового выхода обусловлена тем, что энергию, достаточную для выхода из металла сохраняют только те электроны, которые получили энергию от фотонов на глубине от поверхности, не превышающей 0,1 мкм. Кроме того, поверхность металлов сильно отражает излучение. С увеличением энергии фотонов, то есть с уменьшением длины волны излучения квантовый выход увеличивается, составляя 0,01 – 0,05 электрон/фотон для энергии фотонов порядка одного электрон-вольта. Для рентгеновского излучения с энергией фотонов эВ уже практически на каждые десять падающих на поверхность фотонов приходится один вылетевший из металла электрон.

В 1887 году Генрих Рудольф Герц обнаружил явление, впоследствии названное фотоэффектом. Его суть он определил в следующем:

Если свет от ртутной лампы направить на металл натрий, то с его поверхности будут вылетать электроны.

Современная формулировка фотоэффекта иная:

При падении световых квантов на вещество и при их последующем поглощении в веществе будут частично или полностью освобождаться заряженные частицы.

Другими словами при поглощении световых фотонов наблюдается:

1. Эмиссия электронов из вещества
2. Изменение электропроводности вещества
3. Возникновение фото-ЭДС на границе сред с различной проводимостью (например, металл-полупроводник)

В настоящее время существует три вида фотоэффекта:

1. Внутренний фотоэффект. Заключается в изменении проводимости полупроводников. Он используется в фоторезисторах, которые применяются в дозиметрах рентгеновского и ультрафиолетового излучения, также используется в медицинских приборах (оксигемометр) и в пожарной сигнализации.
2. Вентильный фотоэффект. Заключается в возникновении фото-ЭДС на границе веществ с разным типом проводимости, в результате разделения носителей электрического заряда электрическим полем. Он используется в солнечных батареях, в селеновых фотоэлементах и датчиках, регистрирующих уровень освещенности.
3. Внешний фотоэффект. Как уже говорилось ранее, это процесс выхода электронов из вещества в вакуум под действием квантов электромагнитного излучения.

Законы внешнего фотоэффекта.

Они были установлены Филиппом Ленардом и Александром Григорьевичем Столетовым на рубеже 20 века. Эти ученые измеряли число выбитых электронов и их скорость в зависимости от интенсивности и частоты подающего излучения.

Первый закон (закон Столетова):

Сила фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку, т.е. падающему излучению на вещество.

Теоретическая формулировка: При напряжении между электродами равном нулю фототок не равен нулю. Это объясняется тем, что после выхода из металла электроны обладают кинетической энергией. При наличии напряжения между анодом и катодом сила фототока растет с ростом напряжения, а при определенном значении напряжения ток достигает своего максимального значения (фототок насыщения). Это значит, что все электроны ежесекундно испускаемые катодом под действием электромагнитного излучения принимают участие в создании тока. При смене полярности ток падает и скоро становится равным нулю. Здесь электорон совершает работу против задерживающего поля за счет кинетпческой энергии. При увеличении интенсивности излучения (рост числа фотонов) растет число поглощенных металлом квантов энергии, а следовательно и число вылетевших электронов. Значит, чем больше световой поток, тем больше фототок насыщения.

I ф нас ~ Ф, I ф нас = k·Ф

k - коэффициент пропорциональности. Чувствительность зависит от природы металла. Чувствительность металла к фотоэффекту увеличивается с увеличением частоты света (при уменьшении длины волны).

Эта формулировка закона является технической. Она справедлива для вакуумных фотоэлектрических приборов.

Количество испускаемых электронов прямопропорционально плотности падающего потока при его постоянном спектральном составе.

Второй закон (закон Эйнштейна):

Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектрона промопропорциональна частоте падающего лучистого потока и не зависит от его интенсивности.

E kē = => ~ hυ

Третий закон (закон “красной границы”):

Для каждого вещества существует минимальная частота или максимальная длина волны, за пределами которой фотоэффект отсутствует.

Эта частота (длина волны) называется “красной границей” фотоэффекта.

Таким образом, он устанавливает условия фотоэффекта для данного вещества в зависимости от работы выхода электрона из вещества и от энергии падающих фотонов.

Если энергия фотона меньше работы выхода электрона из вещества, то фотоэффект отсутствует. Если же энергия фотона превышает работу выхода, то ее избыток после поглощения фотона идет на начальную кинетическую энергию фотоэлектрона.

Применение его для объяснения законов фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта является частным случаем закона сохранения и превращения энергии. Свою теорию он основал на законах еще зарождающейся квантовой физики.

Эйнштейн сформулировал три положения:

1. При воздействии с электронами вещества падающие фотоны поглощаются полностью.
2. Один фотон взаимодействует только с одним электроном.
3. Один поглощенный фотон способствует выходу только одного фотоэлектрона с некоторой E kē .

Энергия фотона расходуется на работу выхода (А вых) электрона из вещества и на его начальную кинетическую энергию, которая будет максимальна, если электрон выходит с поверхности вещества.

E kē = hυ - А вых

Чем больше частота падающего излучения, тем больше энергия фотонов и тем больше (за вычетом работы выхода) остается на начальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

Чем интенсивнее падающее излучение, тем больше фотонов входит в световой поток и тем больше электронов смогут выйти из вещества и участвовать в создании фототока. Именно поэтому сила фототока насыщения промопропорциональна световому потоку (I ф нас ~ Ф). Однако начальная кинетическая энергия от интенсивности не зависит, т.к. один электрон поглощает энергию только одного фотона.