A. Фотоэффект

Фотоэффект и его законы

Фотоэффект возникает при взаимодействии вещества с поглощаемым электромагнитным излучением.

Различают внешний и внутренний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

Внутренним фотоэффектом называется явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе, а следовательно, и увеличения электропроводности вещества под действием света. Частным случаем внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект — явление возникновения под действием света электродвижущей силы в контакте двух различных полупроводников или полупроводника и металла. 

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888—1890 гг. А. Г. Столетовым. В опытах с электромагнитными волнами Г. Герц заметил, что проскакивание искры между цинковыми шариками разрядника происходит при меньшей разности потенциалов, если один из них осветить ультрафиолетовыми лучами. При исследовании этого явления Столетовым использовался плоский конденсатор, одна из пластин которого (цинковая) была сплошной, а вторая — выполнена в виде металлической сетки (рис. 19.2). Сплошная пластина соединялась с отрицательным полюсом источника тока, а сетчатая — с положительным. Внутренняя поверхность отрицательно заряженной пластины конденсатора освещалась светом от электрической дуги, в спектральный состав которой входят ультрафиолетовые лучи. Пока конденсатор не освещался, тока в цепи не было. При освещении цинковой пластины К ультрафиолетовыми лучами гальванометр G фиксировал наличие тока в цепи. В том случае, если катодом становилась сетка А, тока в цепи не было. Следовательно, цинковая пластина под действием света испускала отрицательно заряженные частицы. К моменту обнаружения фотоэффекта еще не было ничего известно об электронах, открытых Дж. Томсоном только 10 лет спустя, в 1897 г. После открытия электрона Ф. Ленардом было доказано, что вылетающими под действием света отрицательно заряженными частицами являются электроны, названные фотоэлектронами.

Рис. 19.2

Столетов проводил опыты с катодами из разных металлов на установке, схема которой показана на рисунке 19.3.

Рис. 19.3

В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, впаивались два электрода. Внутрь баллона через кварцевое "окошко", прозрачное для ультрафиолетового излучения, попадает свет на катод К. Подаваемое на электроды напряжение можно изменять с помощью потенциометра и измерять вольтметром V. Под действием света катод испускал электроны, которые замыкали цепь между электродами, и амперметр фиксировал наличие тока в цепи. Измерив ток и напряжение, можно построить график зависимости силы фототока от напряжения между электродами \(~I = I(U)\) (рис. 19.4). Из графика следует, что:

1. При отсутствии напряжения между электродами фототок отличен от нуля, что можно объяснить наличием у фотоэлектронов при вылете кинетической энергии.

2. При некотором значении напряжения между электродами \(~U_H\) сила фототока перестает зависеть от напряжения, т.е. достигает насыщения \(~I_H.\)

Рис. 19.4

Сила фототока насыщения \(I_H = \frac{q_{max} }{t},\) где \(~q_{max}\) — максимальный заряд, переносимый фотоэлектронами. Он равен \(~q_{max} = net , \) где n — число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности освещаемого металла за 1 с, e — заряд электрона. Следовательно, при фототоке насыщения все электроны, покинувшие за 1 с поверхность металла, за это же время попадают на анод. Поэтому по силе фототока насыщения можно судить о числе фотоэлектронов, вылетающих с катода в единицу времени.

3. Если катод соединить с положительным полюсом источника тока, а анод — с отрицательным, то в электростатическом поле между электродами фотоэлектроны будут тормозиться, а сила фототока уменьшаться при увеличении значения этого отрицательного напряжения. При некотором значении отрицательного напряжения \(~U_3\) (его называют задерживающим напряжением) фототок прекращается.

Согласно теореме о кинетической энергии, работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:

\(~A_3 = -eU_3 ; \Delta W_k = \frac{m \upsilon^2_{max} }{2} , \) следовательно, \(eU_3 = \frac{m \upsilon^2_{max} }{2}.\)

Это выражение получено при условии, что скорость \(~\upsilon \ll c,\) где с — скорость света.

Следовательно, зная \(~U_3,\) можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

На рисунке 19.5, а приведены графики зависимости I_ф(U) для различных световых потоков, падающих на фотокатод при постоянной частоте света. На рисунке 19.5, б приведены графики зависимости I_ф(U) для постоянного светового потока и различных частот падающего на катод света.

Рис. 19.5

Анализ графиков на рисунке 19.5, а показывает, что сила фототока насыщения увеличивается с увеличением интенсивности падающего света. Если по этим данным построить график зависимости силы тока насыщения от интенсивности света, то получим прямую, которая проходит через начало координат (рис. 19.5, в). Следовательно, сила фотона насыщения пропорциональна интенсивности света, падающего на катод\[~I_f \sim I .\]

Как следует из графиков на рисунке 19.5, б , величина задерживающего напряжения увеличивается с увеличением частоты падающего света. При уменьшении частоты падающего света \(~U_3\) уменьшается, и при некоторой частоте \(~\nu_0\) задерживающее напряжение \(~U_{30} = 0.\) При \(~\nu < \nu_0\) фотоэффект не наблюдается. Минимальная частота \(~\nu_0\) (максимальная длина волны \(~\lambda_0\)) падающего света, при которой еще возможен фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. На основании данных графика 19.5, б можно построить график зависимости \(~U_3(\nu)\) (рис. 19.5, г).

На основании этих экспериментальных данных были сформулированы законы фотоэффекта.

Законы фотоэффекта

1. Число фотоэлектронов, вырываемых за 1 с с поверхности катода, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты.

3. Красная граница фотоэффекта зависит только от рода вещества катода.

4. Фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом до вылета электронов проходит время \(\approx 10^{-9}\) с.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 556-559.