ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Цель работы: изучить законы внешнего фотоэффекта, определить работу выхода.
Введение
Воздействие света на вещество состоит в сообщении этому веществу энергии, приносимой световой волной. Одним из проявлений воздействия света на вещество является внешний фотоэффект испускание электронов веществом под действием света.
Явление фотоэффекта было открыто Г. Герцем в 1887 г., а затем подробно изучено А.Г. Столетовым (1888 г.). Схема опыта А.Г. Столетова представлена на рис. 1. Поток света падает на конденсатор, состоящий из двух пластин. Одна представляет собой металлическую сетку анод (А), через которую свет может свободно попадать на вторую пластину, являющуюся катодом (К). Б – батарея, с помощью которой создается поле между пластинами конденсатора. А.Г. Столетов установил, что при освещении светом от электрической дуги пластина К теряет свой заряд; при этом гальванометр Г показывает наличие в цепи электрического тока. Позднее было установлено, что пластина К испускает электроны. Используемая в опытах Столетова схема представляет собой простейший фотоэлемент с внешним фотоэффектом.
Пластина К носит название фотокатода, а пластина А – фотоанода. Испускаемые фотокатодом электроны называют фотоэлектронами, а возникающий электрический ток – фототоком. На рис. 2 показана вольтамперная характеристика фотоэлемента, то есть зависимость силы фототока I от разности потенциалов j1 - j2 = U A между фотокатодом и фотоанодом при F = Const, где Ф – поток
 |
излучения.
Из рис. 2 следует, что с увеличением разности потенциалов U A, называемой анодным напряжением, фототок растет, а затем достигает насыщения. Насыщение наступает при таком значении U A, когда все электроны, испускаемые фотокатодом за единицу времени, достигают анода. Сила фототока насыщения
I Н = e 
, (1)
где e – элементарный заряд равный 1,6·10-19 Кл, N – число электронов, попадающих на анод за время Δ t.
Законы внешнего фотоэффекта.
Приведем три основных закона фотоэффекта.
1. При постоянном спектральном составе потока излучения Ф фототок насыщения IН пропорционален этому потоку:
I Н = gФ (2)
(коэффициент g называется интегральной чувствительностью фотокатода).
Зависимость (2) называется люкс-амперной характеристикой фотоэлемента, график ее представлен на рис. 3. Закон был впервые сформулирован А. Г. Столетовым. Следует отметить, что закон Столетова строго выполняется лишь для вакуумных фотоэлементов.
Закон Столетова можно объяснить, используя квантовую теорию света. Опираясь на гипотезу Планка, Эйнштейн предположил, что свет не только испускается, но поглощается и распространяется, в виде отдельных порций электромагнитного излучения, квантов энергии электромагнитного поля, получивших название фотонов. Энергия фотона:
E = h n,
где h = 6,63×10-34 Дж×с – постоянная Планка, n – частота излучения.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего монохроматического света.
Рассмотрим подробнее вольт-амперную характеристику фотоэлемента. Из рис. 2 следует, что при U A = 0 сила фототока I ¹ 0. Это означает, что электроны, вырванные светом из катода, имеют некоторую скорость, а следовательно и кинетическую энергию WК. ≠ 0 и могут достигнуть анода даже в отсутствие внешнего электрического поля. Это означает, что для того, чтобы прекратить фототок, то есть сделать его равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U З, при котором даже самые быстрые фотоэлектроны не смогут достичь анода, так как будут задержаны электрическим полем:
W max = 
= eU З. (3)
Здесь m – масса электрона, e – элементарный заряд равный 1,6·10-19 Кл, U З – задерживающее напряжение.
Меняя частоту падающего монохроматического света, можно найти зависимость WК max = E К(n). Экспериментальные исследования показывают, что эта зависимость является линейной:
W К max = = а n - b, (4)
где а – константа, b – зависит от материала катода.
График зависимости (4) показан на рис. 4: он свидетельствует о том, что с увеличением частоты падающего монохроматического света максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов возрастает. Линейный характер зависимости был объяснен Эйнштейном на основе квантовых представлений о природе света.
Согласно однофотонной теории фотоэффекта, при падении фотонов на поверхность металла происходит взаимодействие фотонов и электронов: каждый электрон получает энергию только одного фотона. Эта энергия расходуется на работу выхода электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии.
В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона
W К max = = h n - A. (5)
В этой формуле А – работа выхода электрона из металла, равная той наименьшей энергии, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого вещества в вакуум в состояние с кинетической энергией равной нулю.
Выражение (5) носит название уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Сопоставление уравнений (4) и (5) позволяет сделать вывод, что а = h, b = А, что и объясняет результаты эксперимента.
3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света n0, при которой еще возможен внешний фотоэффект. Величина n0 зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.
При облучении вещества светом, длина волны которого l > l0 (или частота n < n0), фотоэффект не наблюдается (см. рис. 4). Из рис. 4 следует, что WК max = 0 при n < n0. Следовательно, согласно формуле (5),
h n0 = A, n0 = 
(6)
В случае обычных значениях интенсивности света в процессе взаимодействия света с веществом в элементарном акте поглощается один фотон. Однако, при больших интенсивностях, например в световых пучках, генерируемых лазерами, в элементарном акте взаимодействия могут поглощаться сразу N фотонов. Такое поглощение называется многофотонным. Формула Эйнштейна в этом случае записывается следующим образом:
Nh n = + A.
Соответственно красная граница смещается в сторону более длинных волн (l0 увеличивается в N раз), а формула (2), отражающая зависимость тока насыщения от потока излучения для многофотонных процессов приобретает вид
I Н = gФ N.