Явление фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна

Явление фотоэффекта

Явление фотоэффекта и его законы. Уравнение Эйнштейна

Корпускулярные свойства электромагнитного излучения чрезвычайно ясно наблюдаются в явлении выхода электронов из вещества под действием облучения. Такое явление имеет название фотоэффекта.

Влияние света на электрические процессы впервые наблюдало Генрих Герц, когда заметил, что под действием освещения ультрафиолетовыми лучами разряд конденсатора ускорялся. Однако, первое фундаментальное исследование этого эффекта выполнил в 1888-1890 годах московский профессор А.Г. Столетов. Для своих опытов Столетов использовал специально сконструированный прибор. Схематически он изображен на Катод фотоэлемента Столетова освещался светом разной частоты сквозь системы светофильтров. В стеклянной колбе поддерживают высокий вакуум.

При освещении катоду сквозь светофильтр светом частоты в кругу возникает фототок, который фиксируется амперметром. Зависимость величины фототока от напряжения между электродами (анодом и катодом) имеет название вольт-амперной характеристики (ВАХ) фотоэлемента. Такая зависимость. Как видно из ВАХ фотоэлементу Столетова, при неизменном световом потоке характерным является явление насыщения фототока: начиная с определенного напряжения фототок больше не растет. Это явление можно объяснить тем, что при насыщенные фототоку все высвобождены светом из катоду электроны достигают аноду, и ток в дальнейшем остается постоянным.

Обратим также внимание, что фототок, отличающийся от нуля при нулевом напряжении между электродами фотоэлементу. Более того, если бы прекратить фототок необходимо прикладывать между электродами определенное запорную напряжение обратной полярности (то есть давать "+"- потенциал на катод а "-" на анод.)

Эксперименты Столетова позволили ему сформулировать три следующих закона фотоэффекта :

1. Сила тока насыщения прямо пропорциональная (при неизменной частоте света ) потоку света, который падает на катод

2. Для каждого метала существует такая минимальная частота светлая при которой фотоэффект еще возможен; однако, если частота меньше этой частоты фотоэффект дальше невозможен. Эта закономерность получила название "красного предела фотоэффекта" по историческим причинам: Столетов использовал в своем приборе катод из цинка, для которого минимальная частота отвечала именно красной части спектра.

С точки зрения классической физики сам факт высвобождения электронов из металла под воздействием потока света не является странным, или непонятным. Однако зависимость энергии фотоэлектрона и электростатики от частоты света, а не от его интенсивности, как это видно из третьего закона Столетова, или существования предельной частоты явления фотоэффекта (второй закон) классическая физика объяснить не может.

В 1905 году А. Эйнштейн объяснил экспериментальные законы Столетова на основании гипотезы М. Планка о световых квантах. Эйнштейн допустил, что светло не только излучается, как считал Планк, но также и распространяется и поглощается в виде определенных минимальных и дискретных доз энергии - квантов. Причем энергия такого кванту равняется согласно предположениям Планка.

Качественно картина фотоэффекта за Эйнштейном выглядела достаточно просто: поток света рассматривался как поток квазичастиц-квантов. При поглощении кванта электроном энергия кванта тратится, во-первых, на работу выхода электрона из металла, а во-вторых, на придание фотоэлектрона некоторой кинетической энергии. Световой квант поглощается, (или не поглощается) электроном, как единое и неразделимое целое, с полной энергией, иначе говоря электрон не может поглощать квант лишь частично.

В принципе электрон может поглотить два, или и несколько квантов, однако вероятность такого поглощения очень низкая, сравнительно с одноквантовым поглощением.

Не каждый поглощенный электроном квант выводит электрон за пределы металла, обычно на один квант приходится в среднем меньше одного высвобожденного электрону (следовательно, квантовый выход является меньше единицы, если под ним понимать отношение количества фотоэлектронов к количеству поглощенных квантов).

Понятно, что при энергии кванту недостаточно для вывода электрона из металла, тома . Иначе говоря, существование предельной частоты фотоэффекта выплывает из уравнения Эйнштейна.

Если учесть, что даже при нулевом напряжении между анодом и катодом, фотоэлектроны имеют определенную кинетическую энергию, то понятно, что фототок будет отличающимся от нуля даже при таких условиях: кинетической энергии фотоэлектронов достаточно, если бы добраться до аноду. Более того, чтобы прекратить фототок, надо затормозить фотоэлектроны, для чего надо приложить обратное электрическое поле, энергия которого компенсировала бы их кинетическую энергию.