Внешний фотоэффект. Законы фотоэффекта

Под внешним фотоэффектом понимают процесс выбивания электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Герцем в 1887 году и систематически исследован Столетовым в 1888 – 1889 г. Принципиальная схема установки для исследования фотоэффекта приведена на рис. 7.1.

Свет освещает катод К, изготовленный из исследуемого металла. Электроны, испущенные катодом, перемещаются под действием электрического поля к аноду А, в результате в цепи фотоэлемента течет фототок I, измеряемый гальванометром Г. Напряжение между анодом и катодом можно изменять потенциометром П.

На рис. 7.2 приведено семейство вольт - амперных характеристик, снятых при одной и той же частоте, но при разных потоках (интенсивностях) света. По результатам исследований были сформулированы следующие законы

Рис. 7.1 619.5

внешнего фотоэффекта:

 

1.Максимальная начальная скорость фотоэлектронов, вылетающих с поверхности катода, определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта ν_К – такая минимальная частота падающего излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается.

3.

Рис.7.2

Число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света падающего на катод при неизменном спектральном составе.

При объяснении первого и второго законов с помощью классической физики возникли следующие трудности. Было совершенно не понятно, почему начальная скорость вылетающих из катода электронов зависит от частоты света, а не от его интенсивности. Согласно электромагнитной теории вырывание свободных электронов из металла должно являться результатом их «раскачивания» в электрическом поле световой волной. Увеличение интенсивности, а, следовательно, и амплитуды световой волны должно приводить к увеличению начальной скорости фотоэлектронов.

Трудности в истолковании первого и второго закона фотоэффекта вызвали сомнение в универсальной применимости волновой теории света и привели А. Эйнштейна к созданию квантовой теории света.

Эйнштейн развил идею Планка о квантовом характере излучения атомами. Он предположил, что свет не только излучается, но также распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде отдельных порций – квантов электромагнитного излучения. Эти кванты были названы фотонами. Процесс поглощения света веществом сводится к тому, что фотоны передают всю свою энергию частицам вещества. Для выхода электрона из вещества он должен совершить работу выхода А. В результате поглощения фотона электрон приобретает энергию hv. Если hv ≥ А, то электрон может совершить работу выхода и вырваться из металла. В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна

 

Это уравнение впервые было предложено Эйнштейном и называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Оно с успехом объясняет сформулированные выше законы фотоэффекта для небольших интенсивностей света.