Расчетные зависимости

Явление вырывания электронов светом из твердых, жидких веществ получило название внешнего фотоэлектрического эффекта (внешнего фотоэффекта). Ионизация атомов или молекул газа под действием света называется фотоионизацией.

Первые фундаментальные исследования внешнего фотоэффекта выполнены А. Г. Столетовым (1888 г.). Теоретические объяснения этих законов дал А. Эйнштейн. Эйнштейн предложил рассматривать свет, взаимо ـ действующий с веществом, не как волну, а как поток «корпускул» или «квантов». Энергия каждого кванта определяется соотношением

(2.1)

где ν – частота света; h – постоянная Планка.

Фотоэлектроны, покидающие, например, металл, обладают широким набором скоростей. При заданном значении частоты ν максимальное значение скорости V _макс. определяется из уравнения Эйнштейна

(2.2) где m – масса покоя электрона; А – работа выхода, зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности. Частота ν₀, для которой энергия падающего кванта hν₀ равна работе выхода, называется красной границей фотоэффекта

 

, (2.3)

откуда

или (2.4)

Следует иметь ввиду, что на работу выхода оказывают большое влияние нанесенные на поверхность тонкие слои электроположительных металлов, таких как цезий, барий, церий, торий. При адсорбции этих атомов на поверхность металла они отдают металлу свой внешний валентный электрон и превращаются в положительно заряженный ион. Эти ионы индуцируют в поверхностном слое металла равный по величине отрицательный заряд. У поверхности возникает двойной электрический слой, который облегчает выход электронов из металла. Так, например, в присутствии слоя цезия работа выхода электронов из вольфрама уменьшается с 4,52 эВ до 1,36 эВ. На рис. 2.1а показана схема установки для изучения внешнего фотоэффекта в металлах.

Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки (а), вольтамперная характеристика фотоэлемента (б)

 

Основным элементом установки, чувствительным к свету, является фотоэлемент (ФЭ). Он выполнен в виде стеклянного вакуумированного баллона. На внутренней поверхности баллона с одной стороны нанесен тонкий слой металла с покрытием, понижающим работу выхода, – фотокатод (К). В центральной части баллона расположен металлический анод (А), имеющий форму кольца.

Свет от источника излучения – лампы накаливания (Л) попадает на фотоэлемент (ФЭ). Для исключения влияния внешних источников света (фона) фотоэлемент и лампа накаливания помещены в кожух. Напряжение между анодом и катодом регулируется с помощью потенциометра (П). Значения тока и напряжения регистрируются микроамперметром (А) и вольтметром (V) соответственно.

Характер зависимости фототока i в фотоэлементе от разности потенциалов U между анодом и катодом при неизменном световом потоке Ф изображен на рис. 2.1б. Существование фототока при отрицательных значениях U (от 0 до – U₀) свидетельствует о том, что электроны выходят из катода, имея некоторую начальную скорость и, следовательно, кинетическую энергию. U₀ – напряжение, при котором ток в цепи фотоэлемента отсутствует, называют задерживающее напряжение или задерживающий потенциал. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов V_макс. связана с задерживающим потенциалом соотношением

( 2.5)

Фототок увеличивается с ростом U лишь до определенного предельного значения i_Н, называемого фототоком насыщения. При фототоке насыщения все электроны, вылетающие из катода под влиянием света, достигают анод.