Меню

График силы тока от частоты падающего света

14.1. Фотоэлектрический эффект. Основные закономерности фотоэффекта

Воздействие света на вещество сводится к передаче этому веществу энергии, приносимой световой волной, в результате чего могут возникать различные фотоэлектрические явления. К таким явлениям относят возникновение различных фотоэдс (фотогальванический эффект), изменение электропроводности под действием излучения (фотопроводимость), изменение диэлектрической проницаемости (фотодиэлектрический эффект), фотоэлектронную эмиссию. Фотоэлектрические явления возникают в результате оптических переходов в телах и вызванного этими переходами изменения пространственного распределения электронов.

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом, фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения в вакуум или другую среду. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках) и в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Практическое значение имеет фотоэлектрическая эмиссия из твердых тел в вакуум.

Внутренний фотоэффект — это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника, диэлектрика, молекул газа из заполненных электронами состояний в свободные без эмиссии наружу. В результате внутреннего фотоэффекта концентрация свободных носителей заряда внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности) или возникновению электродвижущей силы.

На явлении фотоэффекта основано действие различных фотоэлектронных приборов (фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, электронно-оптических преобразователей и др.), получивших разнообразные применения во многих областях науки и техники.

Внешний фотоэффект исследуют на установке, представленной на рис. 1.

Два электрода (анод и катод) помещены в вакуумированный баллон. От внешнего источника света освещают катод, изготовленный из исследуемого материала. Между анодом и катодом прикладывают разность потенциалов (плюс на аноде). Электроны, эмитируемые в вакуум с поверхности катода вследствие фотоэффекта, перемещаются в вакууме под действием электрического поля к аноду. Ток в цепи измеряют амперметром. Зависимость фототока IФ от напряжения между электродами U (вольт-амперная характеристика), соответствующая различным значениям интенсивности I падающего света, приведена на рис. 2.

Рис. 2 Зависимость силы фототока IФ от разности потенциалов U при I = const и n = const.

Характеристика снимается при неизменной частоте света n. Видно, что с увеличением U фототок возрастает и при некотором напряжении достигает насыщения. Пологий ход кривых указывает на то, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока IФн (фототок насыщения) определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом достигают анода.

IФн = En, (1)

Где Е — заряд электрона, N — число электронов, испускаемых катодом в единицу времени.

Из ВАХ следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью V, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией. Часть электронов достигает анода и без приложения внешнего электрического поля. Для того, чтобы фототок принял нулевое значение, между анодом и катодом необходимо приложить задерживающее напряжение UЗ (отрицательное). При таком напряжении даже электронам, обладающим при вылете из катода наибольшим значением скорости VM, не удается достигнуть анода. Следовательно, можем записать, что:

, (2)

Где Т — масса электрона, Vm — максимальная скорость электрона.

В результате опытных исследований установлены Три основные закона внешнего фотоэффекта.

1. Сила фотоэлектрического тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового потока, вызывающего фотоэффект, при условии неизменности спектрального состава этого потока (Закон Столетова).

2. Существует такая длина волны lо в спектре света, начиная с которой (для l 3 эВ и лишь для щелочных и некоторых щелочноземельных металлов А = 2 – 3 эВ. Поэтому фотоэлектронная эмиссия из последних может наблюдаться в видимой и УФ – областях спектра, в то время как для всех остальных металлов фотоэлектронная эмиссия наблюдается только в УФ — области. Нанесение моноатомных пленок щелочных и щелочноземельных металлов на другие металлы снижает работу выхода и тем самым сдвигает границу фотоэлектронной эмиссия в длинноволновую область.

Для металлов уравнение Эйнштейна можно проверить экспериментально. Согласно выражению (5) между частотой падающего света и максимальной энергией эмитированных в вакуум фотоэлектронов должна существовать линейная связь. Следовательно, возбуждая фотоэлектроны различными длинами волн света и измеряя максимальную энергию освобожденных фотоэлектронов, можно проверить законы фотоэффекта и определить постоянную Планка. Для измерения энергии фотоэлектронов используют метод «Задерживающего потенциала». Как уже отмечалось, при ускоряющем потенциале между катодом и анодом равном нулю, фототок не равен нулю, а только при приложении обратного потенциала ток убывает, спадая до нуля при задерживающем потенциале U3. Величина U3 — именно тот потенциал, при котором максимальная кинетическая энергия электрона равна работе, которую электрон должен совершить для преодоления тормозящего поля.

Формулу (5) можно переписать в виде

, (6)

Откуда вытекает, что существует линейная зависимость задерживающего потенциала от частоты (рис. 3)

На эксперименте наблюдается плавное уменьшение фототока от величины обратного напряжения, так как электроны эмитируются катодом не с одной определенной скоростью, а имеется непрерывный набор скоростей (распределение электронов по энергиям).

Кроме того, между анодом и катодом фотоэлемента существует контактная разность потенциалов, которая приводит к смещению данного распределения. Это может привести к некоторой ошибке в определении постоянной Планка методом задерживающего потенциала.

Из формулы (5) следует, что граничная частота (V0) определяется работой выхода, которая в сильной мере зависит от состояния поверхности фотокатода. Опыты с чистыми поверхностями в вакууме показали, что величина фототока зависит от температуры и от ускоряющего электрического поля у поверхности фотокатода. Эта зависимость очень существенна при частотах, близких к граничной частоте. Например, внешнее электрическое поле уменьшает работу выхода и вследствие этого смещает порог фотоэлектронной эмиссии на величину

(Е – напряженность поля у поверхности металла, Е – заряд электрона).

Элементарная теория Эйнштейна не может объяснить (даже качественно) спектральные характеристики фототока, закон распределения фотоэлектронов по энергиям, температурную зависимость фототока и многое другое. Решение общей задачи об электронном токе в вакууме (при T¹0), вызванном взаимодействием системы электронов с электромагнитным полем световой волны, в настоящее время практически невозможно. В современной квантовомеханической теории кристаллических тел в рамках модели свободных электронов было получено уравнение для фототока

, (7)

Где — универсальная постоянная;

;

— нормальная составляющая энергии;

EF— энергия Ферми;

A — постоянный коэффициент.

Анализ решения этого уравнения показал, что законы фотоэффекта, следующие из уравнения Эйнштейна, строго выполняются лишь при Т = 0 К. При Т > 0 К наблюдается фотоэлектронная эмиссия и при l > λ0, но с малым квантовым выходом. В частности, при энергии фотонов вблизи порога (Hν n0, (9)

Где — постоянная Ричардсона.

Эти формулы являются частным решением уравнения (7).

Законы фотоэффекта нарушаются также при высоких интенсивностях падающего излучения (I > 1 Вт/см2), когда становятся заметными многофотонные процессы.

Введем основные характеристики фоточувствительного элемента вакуумных фотоэлектронных приборов — фотокатода. Такими характеристиками являются: спектральная чувствительность, квантовый выход фотоэлектронной эмиссии, интегральная чувствительность и плотность темнового тока. Эти характеристики очень важны при практическом использовании фотоэлектронных приборов.

Спектральная чувствительность SL — отношение фотоэлектронного тока в режиме насыщения IФн (в мА) к мощности падающего на фотокатод монохроматического излучения с длиной волны l (в Вт). Со стороны длинных волн зависимость SL(l) ограничивается порогом, или длинноволновой границей, фотоэлектронной эмиссии l0. На практике l0 определяется как длина волны, при которой SL0 = 0,01 SLmax.

Читайте также:  Расчет тока в трехфазной цепи по мощности трансформатора

Квантовый выход YL — отношение числа эмитированных фотоэлектронов к числу падающих на фотокатод фотонов монохроматического излучения: YL = 1,24 [Вт×нм/мА] SL/l (l в нм). Квантовый выход часто выражается в процентах. Квантовый выход фотоэлектронной эмиссии из металлов в видимой и ближней УФ — областях меньше 10-3 электрон/фотон. Это связано прежде всего с малой глубиной выхода фотоэлектронов, которая значительно меньше глубины поглощения света в металле. Большинство фотоэлектронов рассеивает свою энергию до подхода к поверхности и теряет возможность выйти в вакуум. Кроме того, коэффициент отражения в видимой и ближней УФ — областях велик и лишь малая часть излучения поглощается в металле. Случайные загрязнения могут снизить А и сдвинуть порог фотоэлектронной эмиссии в сторону более длинных волн.

Интегральная чувствительность фотокатода S — отношение фототока в режиме насыщения (в мкА) к величине падающего светового потока (в лм) от стандартного источника излучения (лампа накаливания с вольфрамовой нитью при Т = 2850К). SL и S связаны соотношением

,

Где FL — мощность излучения на данной длине волны,

КL — относительная спектральная чувствительность “нормального” человеческого глаза (кривая видности),

L0 — порог чувствительности фотокатода,

L1 и l2 — границы видимого спектра,

F0 = 683 лм/Вт — световой поток в лм, соответствующий потоку в 1 Вт монохроматического излучения с l = 554 нм.

Темновой ток фотокатода — ток через фотоэлемент в отсутствие облучения, определяется термоэлектронной эмиссией. Она зависит от состояния поверхности фотокатода (работы выхода фотокатода) и его температуры. Темновой ток является основным источником электрического шума в фотоэлектронных приборах. Среднеквадратичный шум в отсутствие излучения равен

,

Где E — заряд электрона,

JТ — плотность темнового тока,

Q — площадь фотокатода,

DF — ширина полосы частот регистрирующего устройства.

Фотокатод также характеризуется стабильностью его чувствительности во времени и термостойкостью, т. е. диапазоном рабочих температур, в границах которого чувствительность фотокатода сохраняется в заданных пределах.

В качестве фотокатода в фотоэлектронных приборах обычно используют фоточувствительные материалы, обладающие высоким квантовым выходом (Y³0,1 электрон/фотон) — так называемые эффективные фотокатоды. Подавляющее большинство эффективных фотокатодов представляют собой полупроводники. Чистые металлы в видимой и ближней УФ — областях спектра имеют малый квантовый выход (£10-3 электрон/фотон) и практически не используются в качестве фотокатода. Высоким квантовым выходом обладают полупроводниковые материалы с дырочной проводимостью (р-типа). В таких полупроводниках глубина выхода фотоэлектронов достигает нескольких десятков нм. В результате значительная часть фотоэлектронов имеет возможность выйти в вакуум. Кроме того, в поверхностной области таких фотокатодов существует электрическое поле, ускоряющие фотоэлектроны к поверхности. Именно эти два обстоятельства обуславливают высокий квантовый выход фотоэмиссии таких полупроводников фотокатода.

Среди эффективных фотокатодов наибольшее распространение получили фотокатоды на основе антимонидов щелочных металлов: сурьмяно-цезиевый, двухщелочные и многощелочной.

Сурьмяно-цезиевый (Cs3Sb) фотокатод — полупроводник р-типа с шириной запрещенной зоны eG»1,6 эВ, l0»0,6 мкм. Он изготавливается путем воздействия паров Cs В вакууме на испаренный на подложку (обычно стекло) слой Sb При температуре Т = 140-180 °С. В области hv³3 эВ квантовый выход фотоэмиссии достигает 0,1-0,2 электрон/фотон. Обработка Cs3Sb небольшим количеством кислорода (сенсибилизация) сдвигает порог фотоэмиссии в длинноволновую область спектра и увеличивает квантовый выход, особенно вблизи порога.

В полупроводниках и диэлектриках порог фотоэлектронная эмиссия

HN0=eG + c ( )

EG — ширина запрещенной зоны,

C — электронное сродство, равное высоте потенциального барьера на границе для электронов проводимости. Величина HN0 иногда называемая для полупроводников фотоэлектрической работой выхода, как правило, превосходит A. При HN 3,5 эВ и фотоэлектронная эмиссия наблюдается только в УФ — области. Исключение составляют антимониды щелочных металлов (Cs3Sb), для которых фотоэлектронная эмиссия наблюдается не только в УФ, но и в видимой области спектра.

Спектральная зависимость квантового выхода фотоэлектронной эмиссии из полупроводников вблизи порога, т. е. при возбуждении электронов из валентной зоны, имеет вид

, ( )

Где M = 1¸3 в зависимости от типа оптических переходов и механизма рассеяния фотоэлектронов.

Для полупроводников величина Y определяется рассеянием энергии фотоэлектронами при их движении к границе раздела. В случае слаболегированных полупроводников электронов проводимости мало и основным механизмом рассеяния энергии фотоэлектронов является взаимодействие их с электронами валентной зоны и с фотонами.

Источник

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

A. Фотоэффект

Фотоэффект и его законы

Фотоэффект возникает при взаимодействии вещества с поглощаемым электромагнитным излучением.

Различают внешний и внутренний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

Внутренним фотоэффектом называется явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе, а следовательно, и увеличения электропроводности вещества под действием света. Частным случаем внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект — явление возникновения под действием света электродвижущей силы в контакте двух различных полупроводников или полупроводника и металла.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888—1890 гг. А. Г. Столетовым. В опытах с электромагнитными волнами Г. Герц заметил, что проскакивание искры между цинковыми шариками разрядника происходит при меньшей разности потенциалов, если один из них осветить ультрафиолетовыми лучами. При исследовании этого явления Столетовым использовался плоский конденсатор, одна из пластин которого (цинковая) была сплошной, а вторая — выполнена в виде металлической сетки (рис. 19.2). Сплошная пластина соединялась с отрицательным полюсом источника тока, а сетчатая — с положительным. Внутренняя поверхность отрицательно заряженной пластины конденсатора освещалась светом от электрической дуги, в спектральный состав которой входят ультрафиолетовые лучи. Пока конденсатор не освещался, тока в цепи не было. При освещении цинковой пластины К ультрафиолетовыми лучами гальванометр G фиксировал наличие тока в цепи. В том случае, если катодом становилась сетка А, тока в цепи не было. Следовательно, цинковая пластина под действием света испускала отрицательно заряженные частицы. К моменту обнаружения фотоэффекта еще не было ничего известно об электронах, открытых Дж. Томсоном только 10 лет спустя, в 1897 г. После открытия электрона Ф. Ленардом было доказано, что вылетающими под действием света отрицательно заряженными частицами являются электроны, названные фотоэлектронами.

Столетов проводил опыты с катодами из разных металлов на установке, схема которой показана на рисунке 19.3.

В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, впаивались два электрода. Внутрь баллона через кварцевое «окошко», прозрачное для ультрафиолетового излучения, попадает свет на катод К. Подаваемое на электроды напряжение можно изменять с помощью потенциометра и измерять вольтметром V. Под действием света катод испускал электроны, которые замыкали цепь между электродами, и амперметр фиксировал наличие тока в цепи. Измерив ток и напряжение, можно построить график зависимости силы фототока от напряжения между электродами \(

I = I(U)\) (рис. 19.4). Из графика следует, что:

1. При отсутствии напряжения между электродами фототок отличен от нуля, что можно объяснить наличием у фотоэлектронов при вылете кинетической энергии.

2. При некотором значении напряжения между электродами \(

U_H\) сила фототока перестает зависеть от напряжения, т.е. достигает насыщения \(

Читайте также:  Электрический ток из статики

Сила фототока насыщения \(I_H = \frac >,\) где \(

q_\) — максимальный заряд, переносимый фотоэлектронами. Он равен \(

q_ = net , \) где n — число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности освещаемого металла за 1 с, e — заряд электрона. Следовательно, при фототоке насыщения все электроны, покинувшие за 1 с поверхность металла, за это же время попадают на анод. Поэтому по силе фототока насыщения можно судить о числе фотоэлектронов, вылетающих с катода в единицу времени.

3. Если катод соединить с положительным полюсом источника тока, а анод — с отрицательным, то в электростатическом поле между электродами фотоэлектроны будут тормозиться, а сила фототока уменьшаться при увеличении значения этого отрицательного напряжения. При некотором значении отрицательного напряжения \(

U_3\) (его называют задерживающим напряжением) фототок прекращается.

Согласно теореме о кинетической энергии, работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:

A_3 = -eU_3 ; \Delta W_k = \frac > <2>, \) следовательно, \(eU_3 = \frac ><2>.\)

Это выражение получено при условии, что скорость \(

\upsilon \ll c,\) где с — скорость света.

U_3,\) можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

На рисунке 19.5, а приведены графики зависимости Iф(U) для различных световых потоков, падающих на фотокатод при постоянной частоте света. На рисунке 19.5, б приведены графики зависимости Iф(U) для постоянного светового потока и различных частот падающего на катод света.

Анализ графиков на рисунке 19.5, а показывает, что сила фототока насыщения увеличивается с увеличением интенсивности падающего света. Если по этим данным построить график зависимости силы тока насыщения от интенсивности света, то получим прямую, которая проходит через начало координат (рис. 19.5, в). Следовательно, сила фотона насыщения пропорциональна интенсивности света, падающего на катод\[

Как следует из графиков на рисунке 19.5, б , величина задерживающего напряжения увеличивается с увеличением частоты падающего света. При уменьшении частоты падающего света \(

U_3\) уменьшается, и при некоторой частоте \(

\nu_0\) задерживающее напряжение \(

\nu Законы фотоэффекта

1. Число фотоэлектронов, вырываемых за 1 с с поверхности катода, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты.

3. Красная граница фотоэффекта зависит только от рода вещества катода.

4. Фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом до вылета электронов проходит время \(\approx 10^<-9>\) с.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 556-559.

Источник

График силы тока от частоты падающего света

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 5.2.1.

В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение , полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны . При неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока от приложенного напряжения. На рис. 5.2.2 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.

К удивлению ученых, величина оказалась независящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты света (рис. 5.2.3).

Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности.

Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта , т. е. наименьшая частота , при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за , прямо пропорционально интенсивности света.

Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света .

Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям при взаимодействии с электромагнитной световой волной электрон должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели также было невозможно понять существование красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока и пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.

Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.

Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта .

С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта. Общее число фотоэлектронов, покидающих за поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала от частоты (рис. 5.2.3), равен отношению постоянной Планка к заряду электрона :

Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены в 1914 г. Р. Милликеном и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком. Эти измерения позволили также определить работу выхода :

где – скорость света, – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У большинства металлов работа выхода составляет несколько электрон-вольт (). В квантовой физике электрон-вольт часто используется в качестве энергетической единицы измерения. Значение постоянной Планка, выраженное в электрон–вольтах в секунду, равно

.

Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные элементы. Например, у натрия , что соответствует красной границе фотоэффекта . Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах , предназначенных для регистрации видимого света.

Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов .

Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах – корпускулах.

Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма . Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком, и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.

Читайте также:  Названия электродов для сварки переменным током

Источник



Световые кванты. Фотоэффект

Возникновение квантовой теории

Основная проблема, с которой физики столкнулись в 90-х годах XIX в., состояла в объяснении спектра теплового излучения абсолютно черного тела.

Абсолютно черное тело – тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения любой частоты при произвольной температуре.

По мере возрастания температуры максимум интенсивности теплового излучения испускаемого абсолютно черным телом смещается к более высоким частотам, что противоречило законам классической физики. Такое расхождение теории с экспериментом в конце XIX в. получило название «ультрафиолетовой катастрофы».

Новая теория света, предложенная в 1900 г. М. Планком основывалась на том, что атомы излучают свет не непрерывно, а дискретно, т.е. отдельными порциями – квантами. Энергия излучения кванта прямо пропорциональна частоте излучения:

Где h=6,62∙10 -34 Дж∙с – постоянная Планка.

В 1905 г. А.Эйнштейн предполагает, что свет не только испускается, но и поглощается квантами.

Для проверки квантовой теории света А.Эйнштейн предложил простой способ: количественные измерения фотоэффекта.

Фотоэлектрический эффект

Фотоэффект – явление испускания электронов из вещества под действием света.

Явление фотоэффекта было открыто Г.Герцем в 1887 г. и тщательно исследовано А.Г.Столетовым в 1888 г.

Электромагнитное излучение, падает на катод вакуумной трубки через кварцевое окно прозрачное для ультрафиолетовых волн и вырывает электроны, сообщая им некоторую кинетическую энергию. Благодаря этой энергии электроны улетают от катода, а некоторые из них достигают анода, создавая в цепи электрический ток, называемый фототоком.

Напряжение U между анодом и катодом регулируется потенциометром (реостатом). Интенсивность излучения регулируется мощностью лампы, сетками, светофильтрами. Под действием электрического поля электроны движутся от катода к аноду.

При постоянной интенсивности света и при увеличении напряжения между катодом и анодом возрастает сила фототока, но до некоторого максимального значения. Затем фототок остается постоянным. Максимальное значение силы тока Iн называется током насыщения. Таким образом, все электроны, выбиваемые светом из катода, достигают анода. Дальнейший рост тока невозможен.

Ток насыщения определяется числом электронов испускаемых за 1с с освещенного электрода.

Обнаружено что, когда напряжение между электродами равно нулю, ток в таком случае не прекращается.

Если полюсы источника поменять местами, то электрическое поле между электродами будет тормозить вырванные электроны. Прекращение электрического тока в цепи означает, что и самые быстрые электроны, получившие от излучения наибольшую кинетическую энергию, не могут преодолеть пространство между электродами с разностью потенциалов U и возвращаются на катод.

Следовательно, по величине тормозящего напряжения можно определить максимальное значение кинетической энергии (скорости) фотоэлектронов.

При изменении интенсивности падающего излучения тормозящее напряжение не меняется.

При увеличении интенсивности излучения и при постоянном напряжении сила фототока возрастает. Следовательно, сила фототока зависит от интенсивности падающего излучения.

От частоты излучения сила фототока не зависит.

На опыте было установлено, что скорость электронов (их кинетическая энергия) зависит от частоты излучения, но не зависит от его интенсивности.

Из графика видно, что существует определенное значение частоты излучения, ниже которой излучение не вызывает фотоэффекта независимо от его интенсивности. Такое значение частоты получило название красная граница nкр фотоэффекта. Для каждого вещества красная граница имеет свое значение.

Законы фотоэффекта

  1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально мощности падающего светового потока Р.
  1. При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия электронов возрастает линейно по формуле:

  1. Существует минимальная частота, при которой выбивание электронов с поверхности металла не происходит (красная граница фотоэффекта):

Квантовая теория фотоэффекта

А.Эйнштейн “… свет не только испускается, но и поглощается квантами“.

  1. Следовательно, чем больше квантов энергии попадает на поверхность вещества в единицу времени, тем больше электронов за это же время покидают эту поверхность.
  2. Если принять, что электрон вылетает с поверхности вещества, только поглотив такой квант энергии, то его энергия определяется энергией кванта, а значит и частотой.
  3. Наличие красной границы фотоэффекта объясняется необходимостью совершения определенной работы по вырыванию электронов с поверхности вещества. Такую работу называют работой выхода. Если квант излучения, поглощенный электроном, больше, чем работа выхода, то фотоэффект наблюдается. В противном случае электрон просто не может покинуть вещество.

Эйнштейн для описания взаимодействия кванта света с электроном использовал закон сохранения энергии, где энергия кванта электромагнитного излучения, поглощенная электроном при фотоэффекте, расходуется на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии после вылета из вещества.

Эта формула получила название уравнение (формула) Эйнштейна для фотоэффекта.

Таким образом, уравнение фотоэффекта объясняет все законы внешнего фотоэффекта.

Применение фотоэффекта

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Их используют в схемах световой сигнализации, а также в звуковом кино для воспроизведения звука, записанного на кинопленке.

На явлении внутреннего фотоэффекта основано действие вентильных фотоэлементов. Это устройство, в котором энергия световой волны превращается в энергию электрического тока.

Такие источники тока используют в солнечных батареях, устанавливаемых на всех космических кораблях. Вентильные фотоэлементы являются основной частью люксметров – приборов для измерения освещенности, а так же фотоэкспонометров.

Используется при автоматическом управлении электрическими цепями с помощью световых сигналов и в цепях переменного тока.

Опорный конспект к уроку:

ок фотоэффект

Краткие итоги:

Явление фотоэффекта открыто Г. Герцем в 1887 г. и исследовано Столетовыми Ленардом в 1888 г. Объяснение фотоэффекта противоречило волновой теории света.

Опираясь на идеи Планка о квантовом характере излучения, Эйнштейн в 1905 г.создал теорию фотоэффекта. Свет рассматривался в ней как фотонный газ – электромагнитное излучение, состоящее из потоков световых квантов (фотонов) с энергией E=hν, обладающей скоростью (с), массой (m), импульсом (p), частотой (ν), длиной волны (λ). Применяя закон сохранения энергии, Эйнштейн получилуравнение для фотоэффекта, описывающее взаимодействие одного кванта света с одним электроном:

Данное уравнение позволило объяснить экспериментальные факты, полученные в ходе исследования фотоэффекта с квантовой позиции.

1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально световому потоку Р.

2. При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия электронов возрастает линейно по формуле:

E=hν-A

3. Существует минимальная частота при которой выбивание электронов с поверхности металла не происходит (красная граница фотоэффекта):

hν=A

Квантовая теория фотоэффекта была экспериментально проверена в 1914 г. Р.Милликеном.

Явление фотоэффекта лежит в работе фотоэлектронных приборов.

Источник