Теоретическое введение

Одним из явлений, подтверждающих гипотезу фотонов, является фотоэлектрический эффект. Явление вырывания электронов с поверхности твёрдых и жидких тел под действием света (электромагнитного излучения) называется внешним фотоэффектом.

Впервые явление фотоэффекта было открыто Г.Герцем в 1887г.: он заметил, что при освещении ультрафиолетовыми лучами металлическое тело теряет электроны. Первые количественные исследования фотоэффекта сделал А.Г.Столетов, который установил основные законы фотоэффекта. Позже установка Столетова была усовершенствована Ф.Э.А.Ленардом (рис. 7.1).

Свет, проникающий через кварцевое окно К_в (кварц пропускает ультрафиолетовые лучи), освещает катод К, изготовленный из исследуемого материала. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду А. В цепи возникает фототек, измеряемый гальванометром Г. С помощью потенциометра П можно изменять напряжение между катодом и анодом, которое показывает вольтметр В.

Законы фотоэффекта.Проанализируем вольт-амперную характеристику (т.е. зависимость фототока I от напряжения между электродами U), которая получается в результате фотоэлектрического эффекта. Из кривой на рис. 7.2 видно, что при некотором не очень большом напряжении фототок достигает насыщения – все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Следовательно, сила тока насыщения I_н определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света. Поэтому сила тока насыщения I_нпрямо пропорциональна световому потоку

I_н = γФ, (7.1)

где γ – коэффициент пропорциональности, характеризующий чувствительность данной поверхности к свету.

Анализ кривой показывает, что электроны вылетают из катода с различными по величине скоростями. Часть электронов обладает достаточными скоростями, чтобы при U=0 долететь до анода «самостоятельно» и создать ток I≠0 без помощи ускоряющего поля. Для обращения фототока в нуль необходимо приложить некоторое задерживающее напряжение U_з. По величине тормозящей разности потенциалов U₃, при которой фототок обращается в нуль, можно определить скорость самых быстрых фотоэлектронов:

. (7.2)

Экспериментально было установлено, что максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от частоты излучения, и эта зависимость – линейная. Эта экспериментальная зависимость не укладывается в рамки классической электродинамики, так как скорость фотоэлектронов по классическим понятиям должна зависеть от интенсивности электромагнитной волны, а не от ее частоты.

Классическая электродинамика не смогла объяснить и безынерционность фотоэффекта, а также ещё один закон фотоэффекта – существование красной границы: для каждого материала имеется своя граничная частота ν₀, при которой начинается фотоэффект, так что при частоте света ν≥ν₀ фотоэффект наблюдается, а при ν< ν₀ – нет.

Уравнение Эйнштейна.В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет распространяется и поглощается такими же порциями (квантами) , какими он, по предположению Планка, испускается. Взаимодействуя с электроном вещества, фотон может обмениваться с ним энергией и импульсом. Фотоэффект возникает при неупругом столкновении фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, электрон приобретает кинетическую энергию не постепенно, а сразу –в результате единичного акта столкновения. Этим и объясняется безынерционность фотоэффекта.

Энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта hν. Часть этой энергии электрон тратит на то, чтобы вырваться из металла. Для каждого материала имеется своя работа выхода А_вых –наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его из вещества в вакуум. Остаток энергии фотона (hν–А_вых) тратится на кинетическую энергию (mv²/2) электрона. Кинетическая энергия максимальна, если электрон образуется вблизи поверхности вещества и не расходует энергию на случайные столкновения в веществе. В этом случае будет выполняться уравнение Эйнштейна:

. (7.3)

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить законы фотоэффекта. Действительно, из соотношения Эйнштейна непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности. Так как с уменьшением частоты падающего света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного вещества катода А_вых постоянна), то при достижении некоторой критической частоты ν=ν₀ кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится. Согласно Эйнштейну, частота

. (7.4)

Эта частота и связанная с нею длина волны :

(7.5)

называется красной границей фотоэффекта. Она зависит лишь от работы выхода электронов, то есть от химической природы вещества и состояния его поверхности.

⇐ Предыдущая 10 11 12 13 141516 17 18 19 Следующая ⇒