Теоретическое обоснование

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА А -5

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО

ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: ознакомиться с явлением и законами внешнего фото­эффекта; экспериментально определить "красную границу" фотоэффекта, работу выхода фотоэлектронов, интегральную чувствительность фотоэле­мента, рассчитать постоянную Планка.

Теоретическое обоснование

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов ме­таллом под действием света. Выбитые под действием света электроны на­зываются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими в цепи, называется фототоком. Внешний фотоэффект начинается при относительно небольшой ра­боте выхода (2-5 эВ). При этом вся энергия фотона hv преобразуется в работу выхода и в кинетическую энергию электрона, т.е. полностью пере­дается электрону без рассеяния (рис. 1). Интересно то, что фотон, имея энергию, достаточную, чтобы вырвать из металла сотни электронов, по­глощается только одним из них. Тонкие слои адсорбированных щелочных и щелочно-земельных металлов на поверхности эмиттера существенно снижают работу выхода. Особенно сильно уменьшается работа выхода электронов из эмиттера при нанесении тонких слоев цезия, бария и их ок­сидов Действие углерода и кислорода - обратное, их адсорбция на поверх­ности эмиттера, как правило, увеличивает работу выхода.

Рис. 1

Фотоэффект открыт Герцем в 1887 г. Изучая влияние света на про­текание электрических процессов, ученый заметил, что проскакивание электрической искры между заряженными цинковыми шариками значи­тельно облегчается, если один из них осветить ультрафиолетовым светом.

Подробное изучение влияния света на заряженные тела было прове­дено профессором Московского университета А.Г. Столетовым. Одновре­менно фотоэлектрическое явление было изучено английским физиком Гальваксом

Для более детального изучения и установления законов фотоэффекта Столетов и другие исследователи использовали установку, показанную на рис.2.

Рис. 2.

Металлическая пластинка К (катод из исследуемого металла) под­соединена к отрицательному полюсу батареи Б, второй же полюс соединен через реостат R и гальванометр Г санодом А. Оба электрода (анод и катод) помещены в баллон, из которого выкачан воздух, чтобы столкновения электронов с молекулами газа не влияли на наблюдаемые явления, а также во избежание окисления электродов. Поскольку такая электрическая цепь разомкнута, тока в ней нет.

При освещении катода через окошко О из него освобождаются фото­электроны, которые попадают в электрическое поле между катодом и ано­дом. Напряженность поля между ними можно изменять перемещением движка потенциометра R. Если напряженность поля достаточно велика и направлена так, что электроны, перемещаясь от катода к аноду, ускоряют­ся электрическим полем, то фотоэлектроны из катода достигнут анода, и через гальванометр R пройдет фототок, величина которого определяется количеством электронов, достигающих анода за единицу времени. 'При увеличении напряжения, приложенного к электродам, фототок возрастает и достигает при заданной освещенности максимального значения I_Н, кото­рое называется током насыщения (рис. 3).

Рис. 3.

Выход тока на насыщение происходит тогда, когда все фотоэлектро­ны достигают анода.

В соответствии с результатами наблюдений Столетова (закономер­ность третья) ток насыщения пропорционален мощности светового по­тока W, падающего на пластинку. Так как ток насыщения I_Н = пе, где п -число электронов, вырываемых в единицу времени; е - заряд электрона, то число электронов, вырываемых в единицу времени, пропорционально мощности падающего излучения.

Зависимость фототока от величины и знака внешнего напряжения носит название вольт-амперной характеристики.

Из этой характеристики следует, что при U=0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью, а значит, и отличной от нуля кинетической энерги­ей, и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того, чтобы ток стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение. Элек­троны перестают достигать анода A, когда работа задерживающего элек­трического поля становится равной их максимальной начальной кине­тической энергии

(1)

где - задерживающий потенциал (рис. 3), при котором фототок прекра­щается;

- начальная максимальная скорость электронов при вылете из катода.

Измерив задерживающее напряжение можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

Опыт дает возможность непосредственно получить зависимость за­держивающего потенциала от частоты и падающего света. Зависимость скорости от ν можно найти на основании соотношения (1) между и .

Многочисленные измерения показали, что является линейной функци­ей от частоты ν (рис. 4).

Рис. 4.

Поскольку задерживающий потенциал однозначно связан со скоростью электронов соотношением (1), то следует: скорость электро­нов, вырываемых из тела при фотоэффекте, тем больше, чем больше часто­та ν поглощаемого света.

Соотношению (1) можно придать другой вид:

(2)

Из равенства (2) следует, что начальная кинетическая энергия фото­электронов линейно возрастает с частотой света ν.

Из соотношений (7) и (8) вытекает еще одно следствие: для того, чтобы электроны могли вырваться светом из тела, частота должна удовле­творять неравенству v U₀ / k. Величина v₀ = U₀ / k называется "красной границей" фотоэффекта. Только свет длины волны меньше, чем , может давать фотоэффект.

Для различных тел имеет разные значения, причем для большин­ства тел относится к ультрафиолетовой области; только для щелочных металлов попадает в область видимого спектра. Значение значитель­но зависит от степени чистоты поверхности тела.

Опыты подтвердили утверждения Столетова о том, что фотоэффект безынерционен и начинается практически мгновенно. Между началом ос­вещения и моментом возникновения фотоэффекта проходит не более с.

Таким образом, путем изучения вольт-амперных характеристик при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергети­ческих освещенностях катода, обобщения полученных данных были уста­новлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

1 Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой;

2.Для каждого металла существует "красная граница" фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (максимальная длина волны ), зави­сящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

3.При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектро­нов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интен­сивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетиче­ской освещенности катода)

где b - интегральная чувствительность фотокатода.

4 Фотоэффект безынерционен.

В рамках представлений о волновой природе света эти законы фото­эффекта нельзя объяснить. Действительно, электромагнитная (световая) волна, падая на металл, должна раскачивать его электроны. При этом ам­плитуда колебаний электрона должна быть пропорциональна амплитуде электрического вектора световой волны, а поэтому и интенсивности па­дающего света, поскольку она пропорциональна квадрату амплитуды элек­трического вектора. Тогда при любой длине волны, если свет имеет доста­точно большую интенсивность, можно ожидать освобождения электронов из металла, и, следовательно, "красной границы" фотоэффекта не должно быть. К тому же, с точки зрения волновой теории, кинетическая энергия фотоэлектронов должна зависеть от интенсивности падающего света, по­скольку с ее увеличением должна передаваться большая энергия электронам.