Законы фотоэффекта

Еще с курса физики 11 класса известно, что фотоэффект – это удаление электронов из атомов вещества в результате воздействия на вещество светового излучения. Кратко рассмотрим основные законы фотоэффекта.

Явление фотоэффекта

Фотоэффект был открыт во второй половине 19 века. Оказалось, что электрические свойства вещества заметно изменяются при облучении, причем наиболее сильно изменение происходит при ультрафиолетовом излучении.

В 1873 г. С. Уиллоуби заметил, что электропроводность селена заметно изменяется при облучении. А в 1887 г. Г. Герц обнаружил, что разрядник газа при облучении значительно облегчается.

Эти эксперименты выявили два типа фотоэффектов: внутренние и внешние. В обоих случаях электроны с внешних оболочек атома покидают атом под действием облучения. Но при внутреннем фотоэффекте они остаются в веществе. Именно поэтому электропроводность селена увеличилась — появились свободные носители заряда, электроны. А при внешнем фотоэффекте электроны покидают вещество. Именно поэтому облегчается искровой разрядник газа: в газе появляются электроны, которые под действием поля ускоряются и ионизируют газ, создавая разрядник.

Законы фотоэффекта А. Столетова

Наиболее глубокое изучение фотоэффекта было проведено в конце 19 века. А. Столетов. Хотя механизм фотоэффекта был установлен только в начале 20 века, А. Столетову удалось вывести количественные закономерности, описывающие фотоэффект, которые теперь носят его имя.

В экспериментах использовали стеклянный вакуумный сосуд с двумя электродами. Катод можно было освещать через специальное стекло, экспериментатор мог устанавливать напряжение между электродами.

Рис. 1. Опыт Столетова.

Первый закон Столетова фотоэффекта звучит так: фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на катод. Этот закон объясняется тем, что фототок — это движение электронов, удаляемых от катода в результате фотоэффекта. При нулевом напряжении удаленные электроны разлетаются во все стороны, а часть достигает анода — появляется ток. По мере увеличения напряжения все больше и больше электронов достигают анода, ток увеличивается, но только до тех пор, пока все выбитые электроны не достигнут анода.

Второй закон Столетова фотоэффекта гласит, что кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты и увеличивается с частотой. Объяснить этот закон в рамках классической электродинамики невозможно, его можно было объяснить только с развитием квантовой теории фотоэффекта.

Третий закон Столетова о фотоэффекте гласит, что существует некоторая минимальная частота облучения, ниже которой фотоэффект сразу исчезает. Эта минимальная частота была названа «красным краем фотоэффекта» и специфична для каждого вещества.

Рис. 2. Законы фотоэффекта Столетова.

Теория фотоэффекта А. Эйнштейна

В 1905 г. А. Эйнштейн, основываясь на представлении Планка о квантовой природе света, разработал теорию фотоэффекта, объясняющую все законы Столетова. Он предположил, что свет существует только в виде порций-квантов (фотонов). Только весь квант может быть испущен и поглощен. А энергия кванта пропорциональна его частоте (h — постоянная Планка):

Е=ч\ню

При фотоэффекте, согласно законам сохранения, часть этой энергии пойдет на отклонение электрона от орбиты (работа выхода А), а остальная часть электрон получит ее в виде кинетической энергии. Таким образом, мы получаем формулу, объясняющую второй и третий законы фотоэффекта:

h\nu=A_{out}+{m_ev^2\over 2}

В самом деле, если работа выхода постоянна, кинетическая энергия вылетающих электронов будет зависеть только от частоты облучения. Когда частота уменьшается настолько, что энергии фотона не хватает для совершения работы выхода, фотоэффект немедленно прекращается.

Рис. 3. Теория фотоэффекта Эйнштейна.

Поделиться:
×
Рекомендуем посмотреть