Законы фотоэффекта.
1.При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку. 2.Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности. 3.Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждого металла величины к , называемой красной границей фотоэффекта. Характерная кривая (вольт-амперная характеристика) для опыта Столетова показана на рис.11.2. В зависимости от условий опыта она может несколько отклоняться от идеализированной кривой 1, но основные характеристики (ток насыщения и задерживающий потенциал) будут одинаковыми, что и иллюстрирует реальная кривая 2 (когда часть вылетевших из катода электронов теряется на пути к аноду).Первый закон фотоэффекта можно объяснить и на основе классической физики. Световое поле, воздействуя на электроны металла, возбуждает их колебания. Амплитуда этих колебаний может достигать значения, при котором электроны покидают металл – наблюдается фотоэффект. Т.к. интенсивность света прямо пропорциональна квадрату электрического поля, то число вырванных электронов растет с увеличением интенсивности света.Второй и третий закон фотоэффекта на основе классической физики объяснить нельзя. Явление фотоэффекта и все его закономерности хорошо объясняются с помощью квантовой теории света и подтверждают ее. Как уже отмечалось, Эйнштейн в 1905 г., развивая квантовую теорию Планка, выдвинул идею, излучение , поглощение и распространение света происходит порциями (квантами), энергия которых равна . В этом случае можно записать закон сохранения энергии для элементарного процесса, заключающегося во взаимодействии одного кванта с веществом, сводящегося к передаче электрону дискретного количества энергии. При этом нужно учесть, что электрон в металле не является свободным и, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть работу выхода A. Применяя к фотоэффекту в металлах закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу: , (11.1) где A – работа выхода электрона из металла, v – скорость фотоэлектрона. При этом считается, что каждый квант выбивает только один электрон (однофотонный процесс). Как следует из (11.1), фотоэффект в металлах может возникать только при , в противном случае энергии кванта недостаточно для вырывания электрона из металла. Отсюда можно найти минимальную частоту света, при которой происходит фотоэффект (красную границу фотоэффекта): . (11.2) (Для различных металлов красная граница в длинах волн имеет следующие значения: Zn ~370 нм; Na ~500 нм; Cs ~650 нм.)Пусть между анодом и катодом (рис.11.1) приложен тормозящий потенциал (U < 0) (рис.11.2). Если кинетическая энергия электронов достаточна, то они, преодолев тормозящее поле, все таки создают фототок. В фототоке участвуют те электроны, для которых удовлетворяется условие . (11.3) Величина задерживающего потенциала Uзад определяется из условия: , (11.4) где vmax – максимальная скорость выбитых электронов. Подставив (11.4) в (11.1), получаем: , (11.5) откуда . (11.6) Т.о., величина задерживающего потенциала не зависит от интенсивности, а зависит только от частоты падающего света, что и объясняет второй закон фотоэффекта. В отличие от металлов в полупроводниках и диэлектриках также возникает так называемый внутренний фотоэффект, состоящий в возбуждении электронов из валентной зоны в зону проводимости. Для внутреннего фотоэффекта энергия поглощенного светового кванта не должна быть меньше ширины запрещенной зоны (разности энергии между нижней границы зоны проводимости и верхней границей валентной зоны). ©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|