Основные положения

Явление испускания электронов веществом под действием света называется внешним фотоэффектом. Фотоэффект принадлежит к числу явлений, в которых проявляются корпускулярные свойства света. Сущность фотоэффекта объясняет квантовая теория излучения, согласно которой свет излучается, распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде отдельных порций энергии – квантов света или фотонов. Энергия фотона зависит от частоты света и определяется произведением постоянной Планка на частоту:

.

Пусть на поверхность металла падает поток фотонов. При взаимодействии фотона с электроном в твердом теле энергия фотона может перейти электрону – электрон поглощает квант, т. е. приобретает энергию, равную . Часть этой энергии он затрачивает на совершение работы выхода А, а остальная энергия остается у него в виде кинетической.

Электрон, находящийся на некоторой глубине под поверхностью, затрачивает на работу выхода большую энергию, чем электрон, выходящий из поверхностного слоя. Поэтому кинетические энергии электронов, вылетающих из твердого тела, даже при монохроматическом освещении будут неодинаковыми. Если под работой выхода понимать минимальное значение энергии, необходимой для выхода электрона из твердого тела, то максимальная кинетическая энергия вырванного электрона может быть определена из уравнения Эйнштейна

,

(2.1)

Соотношение (2.1) характеризует энергию только наиболее быстрых электронов, вырываемых с поверхности вещества.

Электроны, вылетающие из катода фотоэлемента под действием света, имея определенную кинетическую энергию, достигают анода, создавая в замкнутой цепи ток. Если между анодом и катодом создать электрическое поле, приложив к аноду отрицательный по отношению к катоду потенциал , то можно затормозить электроны. Электроны, движущиеся от катода к аноду, будут совершать работу против сил поля за счет своей кинетической энергии. При достаточно сильном электрическом поле фотоэлектроны израсходуют свою энергию прежде, чем достигнут анода:

.

(2.2)

Поэтому при увеличении напряжения анодный ток падает. При некотором значении (потенциал запирания) даже наиболее быстрые электроны не попадут на анод, и анодный ток прекратится. Подставляя выражение (2.2) в уравнение (2.1), получим

.

(2.3)

Из формулы (2.3) следует, что зависит от частоты света, падающего на фотоэлемент. Эта зависимость позволяет определить постоянную Планка.

Освещая фотоэлемент через монохроматические светофильтры, определяем в каждом случае задерживающий потенциал. Зная частоты света и , пропускаемого светофильтрами, и соответствующие значения задерживающих потенциалов и , вычисляем постоянную Планка:

; .

Вычитая почленно из первого равенства второе, получим,

,

откуда

.

(2.4)