Фотоэффект. Опыты Столетова. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света.

Фотоэффект был исследован русским физиком Столетовым А.Г. в 1888 г. Позднее Ленард усовершенствовал прибор Столетова и поместил электроды в эвакуированный баллон. Свет прорникает через кварцевое окошко и освещает катод К (кварц пропускает ультрафиолетовые лучи), изготовленный из исследуемого материала. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду А. В результате, в цепи прибора течет фототок, измеряемый амперметром. Напряжение между катодом и анодом можно изменять с помощью реостата.

Полученная на таком приборе вольт-амперная характеристика изображена на рисунке. Из этой кривой видно, что при некотором напряжении фототок достигает насыщения - все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Следовательно, сила тока насыщения определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света.

Из рисунка видно, что для обращения силы тока в нуль нужно приложить задерживающее напряжение . При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшим значением скорости , не удается преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Поэтому:

Максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты – увеличение частоты приводит к возрастанию скорости. Установленные зависимости не укладываются в рамки классических представлений.

А. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта можно объяснить тем, что свет поглощается отдельными порциями квантами . Часть этой энергии, равная работе выхода , затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Остаток энергии образует кинетическую энергию электрона, покинувшего вещество. Соотношение называют уравнением Эйнштейна:

Для возникновения фотоэффекта необходимо выполнение условия . Аналогичное условие для длины волны:

Частота или длина волны называется красной границей фотоэффекта.

Число высвобождаемых вследствие фотоэффекта электронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность квантов света. Световой поток Ф определяется количеством квантов света, падающих на поверхность в единицу времени. Таким образом, ток насыщения должен быть пропорционален падающему световому потоку:

Эта зависимость подтверждается экспериментально.

Из соотношении следует, что

т.е. растет с ростом частоты излучения, падающего на катод. Результаты эксперимента находятся в полном согласии с теорией.