Явление вырывания электронов из твердых и жидких веществ под действием света называется явлением внешнего фотоэффекта. Приборы, действие которых основано на использовании фотоэффекта, называются фотоэлементами.
В лабораторной работе для исследования явления фотоэффекта используется электрическая схема (рис.1) с применением фотоэлемента Ф, источника питания U и измерительных приборов: гальванометра Г и вольтметра V. При освещении фотоэлемента энергия фотонов света передается частицам вещества катода, в результате чего из катода вырываются электроны и создают в цепи электрический ток, который называется фототоком.
Явление фотоэффекта зависит от химической природы металла, а также от состояния его поверхности. Наличие загрязнения поверхности металла существенно влияет на эмиссию электронов под действием света. Поэтому катод К и анод А помещены в вакуумный стеклянный баллон.
На рис. 2 показаны кривые зависимости силы фототока I от напряжения U, соответствующие двум различным освещенностям катода: Е1 и Е2 > Е1. Частота света в обоих случаях одинакова. При увеличении напряжения U между анодом и катодом фототок I также увеличивается, так как все большее число электронов вырвавшихся из катода достигают анода. Максимальное значение тока Iн, называемое фототоком насыщения, соответствует таким значениям напряжения U, при которых все электроны, выбиваемые из катода, достигают анода.
Фототок прекращается, когда между анодом и катодом устанавливается отрицательное задерживающее напряжение -U3. Существование фототока в области отрицательных напряжений от 0 до -U3 объясняется тем, что электроны, выбитые светом из катода, обладают отличной от нуля начальной кинетической энергией. За счет этой энергии электроны могут совершать работу против сил задерживающего электрического поля и достигать анода. Максимальная начальная скорость nmax фотоэлектронов связана с U3 соотношением
 |
(1)
где е и m - заряд и масса электрона. При U £ U3 фототок I = 0.
Опытным путем установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта:
- Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.
- Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота n0 света, при которой еще возможен внешний фотоэффект. Величина n0 зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.
- Число фотоэлектронов n, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света (фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности Е катода).
В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона:
 |
(2)
где hn - энергия, приобретенная электроном в результате поглощения фотона;
А – работа, которую должен совершить электрон для выхода из металла;
n - частота монохроматического излучения;
h = 6,62*10-34 Дж*с – постоянная Планка.
Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Уравнение позволяет легко объяснить все основные законы внешнего фотоэффекта для металлов. В самом деле, из (2) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит не от интенсивности, а от частоты света и работы выхода А. Внешний фотоэффект возможен только в том случае, если энергия фотона hn больше или, в крайнем случае, равна А. Следовательно, соответствующая красной границе фотоэффекта частота 
. Она зависит только от работы выхода электрона, т.е. от химической природы металла и состояния его поверхности.
Общее число электронов n, вылетающих за единицу времени, пропорционально числу фотонов 
, падающих за то же время на поверхность катода.
Для плоского катода, равномерно освещаемого монохроматическим светом с частотой n, 
, где Е – освещенность, пропорциональная интенсивности света. Таким образом, в соответствии с третьим законом фотоэффекта число фотоэлектронов, вылетающих из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.
Исходя из формул (1), (2) можно определить работу выхода электрона:
(3)
Фотоэффект широко используется в науке и технике для регистрации и измерения световых потоков, для непосредственного преобразования энергии света в энергию электрического тока, для преобразования световых сигналов в электрические.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Установка (рис.3) включает в себя вакуумный фотоэлемент 1 в пластмассовом корпусе, осветитель 2, источник питания фотоэлемента 3, оптическую скамью 4, блок питания осветителя 12 (БП-I).
Вакуумный фотоэлемент 1 представляет собой стеклянный баллон, из которого выкачан воздух. Часть внутренней поверхности баллона покрыта слоем металла, играющего роль фотокатода. В качестве анода используется металлическое кольцо или редкая сетка. При освещении катода из него, вследствие внешнего фотоэффекта, выбиваются электроны. В результате, под действием внешнего напряжения, в цепи возникает электрический ток.
Пластмассовый корпус фотоэлемента имеет отверстие для вставки светофильтров. Вращением корпуса можно закрывать фотоэлемент от источника света.
Для выполнения лабораторной работы используются осветители двух типов. При выполнении первой части работы (определение токов насыщения) в качестве осветителя 2 применяется лампа накаливания (8 вольт) с конденсором. Осветитель подключается к сети 220 В через блок питания 12 (БП-I). На блоке имеется ручка 13 для плавной регулировки яркости и выключатель 14. Вторая часть работы (определение задерживающего напряжения) выполняется с ультрафиолетовым осветителем "Фотон", который устанавливается вместо первого осветителя и работает непосредственно от сети 220 В.
Источник питания 3 состоит из корпуса, на лицевой панели которого имеются: гнезда 10 для подключения анода и катода фотоэлемента, вольтметр 5 для измерения подающего напряжения, микроамперметр 6 для измерения фототока. В зависимости от вида определяемых параметров, с помощью переключателя 11 величина подаваемого напряжения может изменяться:
a) от 0 до 200 В - при определении тока насыщения;
b) от 0 до 2 В - при определении задерживающего напряжения.
Плавная регулировка напряжения производится ручкой 9. Включение источника питания производится тумблером 8, при этом загорается индикатор 7.
