Фотоэффект в физике

Фотоэффект

Фотоэффект — испускание электронов веществом при поглощении им квантов электромагнитного излучения (фотонов).

Фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, который установил, что длина искры в разряднике увеличивается при попадании на его металлические электроды света от искры второго разрядника. Первые исследования фотоэффекта были выполнены русским учёным А. Г. Столетовым (1888 г.). Ф. Ленард и Дж. Томсон (1889 г.) доказали, что при фотоэффекте испускаются электроны.

Опыты Столетова

Схема опытов и прибор Столетова по наблюдению фотоэффекта представлены на рис. 175, а. Здесь — два металлических диска, установленных параллельно друг другу (один — латунная или железная металлическая сетка, второй диск — сплошной). Диски соединены между собой проволокой, в которую введены гальваническая батарея и чувствительный гальванометр с большим сопротивлением (5212 Ом), — источник света (лампа с вольтовой дугой). Таким образом, две металлические пластины представляют собой конденсатор, причём металлическая сетка является положительной обкладкой конденсатора. Свет от дуги через сетку попадает на отрицательно заряженную сплошную металлическую пластину. Из опытов Столетова следовало, что фототок через гальванометр сильнее всего растёт при освещении ультрафиолетовыми лучами, сила фототока пропорциональна интенсивности освещения, и под действием света освобождаются только отрицательные заряды.

Рис. 175

При изучении фотоэффекта строят зависимость тока от напряжения , подаваемого к электродам, один из которых (исследуемый фотокатод) освещается светом, (рис. 175, в). Из полученной зависимости следует, что при ток не равен нулю, а для того чтобы ток стал равным нулю, необходимо подать некоторое напряжение обратной полярности (к освещённому электроду «+», к неосвещённому — «-»), которое называется задерживающим напряжением и определяется максимальной кинетической энергией вылетающих электронов: .
В процессе исследования фотоэффекта были установлены следующие закономерности.

  1. Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
  2. Скорость электронов, вылетающих из тела при фотоэффекте, определяется его частотой и не зависит от интенсивности.
  3. Для каждого вещества существует предельная наименьшая частота света (красная граница фотоэффекта), при которой возможен фотоэффект. Излучение с частотой не вызывает явления фотоэффекта.
    Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить в рамках классической электромагнитной теории. Они имеют квантовый характер.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идею Планка о прерывистом испускании света: . Согласно Эйнштейну из явления фотоэффекта следует, что свет имеет прерывистую структуру: излучённая порция световой энергии сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком. Эта порция называется фотоном.

Если фотон передаёт электрону энергию , большую или равную величине работы по удалению электрона с поверхности металла, то электрон покидает поверхность этого металла. Разность между и приведёт к возникновению кинетической энергии электрона. Из закона сохранения энергии следует:

(4.8)

Эта формула называется уравнением Эйнштейна. Оно описывает все законы фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следует, что кинетическая энергия электрона линейно зависит от частоты и не зависит от интенсивности излучения. Поскольку общее число электронов , покидающих поверхность металла, пропорционально числу падающих фотонов, то величина пропорциональна интенсивности падающего излучения.

Красную границу фотоэффекта можно получить из (4.8), если скорость электрона, покидающего металл, приравнять к нулю:

(4.9)

то есть красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода . Учитывая что из (4.9) получим значение предельной длины волны:

При длинах волн, больших , т. е. расположенных ближе к красным волнам, фотоэффект не наблюдается. Отсюда и название предельной длины волны — красная граница фотоэффекта.



Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Предмет физика

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Основные уравнения релятивистской механики в физике
Гипотеза планка о квантах в физике
Фотоны. Энергия и импульс фотона в физике
Корпускулярно-волновой дуализм в физике