Открытие фотоэффектаВ 1887 г. Г. Герц обнаружил, что если направить на отрицательный электрод искрового разряд­ника ультрафиолетовое излучение, то электрический разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствие освещения. Герцу не удалось дать правильного объяснения этому явлению. Опыты В. Гальвакса, и в особенности тщательные исследования А. Г. Столетова , проведенные в 1888 - 1889 гг., позволили понять сущность явления, обнаруженного Герцем: оно обусловлено выбиванием под действием света от­рицательных зарядов из металлического катода разрядника. В дальнейшем измерения удельного заряда этих частиц пока­зали, что они представляют собой электроны.

Явление выравнивания электронов из твердых и жидких тел под действием света называют внешним фотоэлектрическим эф­фектом (или просто фотоэффектом), а вырванные таким образом электроны иногда называют фотоэлектронами.

Опыт Столетова.

В электрическую цепь включен конденсатор, положительная обкладка которого — медная сетка С, а отрицательная — цинковая плас­тина D. Когда от источника света излучение направляют на от­рицательно заряженную пластину D, в цепи возникает электри­ческий ток. Его называют фототоком. Если пластина D заря­жена положительно, а сетка С — отрицательно, то гальванометр не обнаруживает электрического тока.

Законы фотоэффекта.

1) максимальная начальная скорость фотоэлектронов опре­деляется частотой света и не зависит от его интенсивности;

2) для каждого вещества существует красная граница фо­тоэффекта, т. е. наименьшая частота света vmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект;

3) число фотоэлектронов, выры­ваемых из катода за 1 с (фототок насыщения), прямо пропорциональ­но интенсивности света.

Кроме того, установлена практи­ческая безынерционность фотоэф­фекта: он сразу же возникает при освещении поверхности тела при условии, что частота света v>vmin.

Полученные опытным путем за­коны фотоэффекта не удалось объяс­нить на основе электромагнитной волновой теории света. С точки зрения этой теории электромагнитная волна, достигнув поверхности металла, вызывает вынужденные колебания электронов, отрывая их от металла. Но тогда требуется время для «раскачки» электронов, и при малой освещенности металла должно возникнуть заметное запаздывание между началом освещения и моментом вылета электронов. Далее, кинети­ческая энергия электронов, покидающих металл, должна зависеть от амплитуды вынуждающей силы и тем самым от напряжен­ности электрического поля в электромагнитной волне.

Однако все эти выводы противоречат законам фотоэффекта. Решение было найдено А. Эйнштейном в 1905 г. из совершенно иных соображений.

Как уже говорилось, в 1900 г. М. Планк объяснил законы теплового излучения видимого света, инфракрасного и ультра­фиолетового излучений. Для решения этой задачи ему пришлось предположить, что атомы нагретого тела изменяют свою энергию не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. Эйнштейн, анализируя свойства электромагнитного излучения, пришел к вы­воду, что сама электромагнитная волна состоит из отдельных порций — квантов (названных впоследствии фотонами).

Идеи Эйнштейна представляют собой отход от классической волновой оптики. Распространение света здесь рассматривается не как непрерывный волновой процесс; свет— это поток особых частиц (фотонов), движущихся со скоростью с - скоростью света в вакууме. В монохроматическом свете с частотой v все фотоны имеют одинаковую энергию.

Поглощение света состоит в том, что фотоны передают всю свою энергию атомам и молекулам вещества. Из этого следует, что поглощение света, как и его распространение, происходит прерывно, отдель­ными порциями.

Квантовая теория фотоэффекта.

Квантовая точка зрения на природу света позволяет иначе, чем в электромагнитной теории, подойти к объяснению внешнего фотоэффекта в металлах. Из­вестно, что для выхода из металла электрон должен преодолеть потенциальный барьер на границе металл — вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода А0. В результате поглощения фотона его энергия целиком передается электрону. Если ?r>A0, то электрон сможет совершить работу выхода и выйти из металла. Наибольшую кинетическую энергию, которую сможет приобрести фотоэлектрон, можно найти, исходя из закона сохранения энергии.

Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все за­коны внешнего фотоэффекта. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, а следо­вательно, и его максимальная начальная скорость зависят от частоты света v и работы выхода А0. но не зависят от интенсивности света. Это есть первый закон внешнего фотоэффекта.


Энергии фотона должна по меньшей мере хватить на то, чтобы вырвать электрон ил ме­талла. Обозначив через vmin наименьшую частоту света, при которой возможен фотоэффект, имеем hvmin = Аo, следовательно, граничная длина волны.

Красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода электрона, т. е. от химической природы металла и состояния его поверхности. Так объясняется второй закон фотоэффекта. Красной эта гра­ница названа потому, что при ? > ?max, т.е. при «более красном» свете, фотоэффект не происходит.

Наконец, общее число N фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность металла, должно быть пропорционально числу фотонов попадающих за это же время на поверхность.


Загрузка...

Яндекс.Метрика Google+