 |
Фотоэффект и его законы: опыты Герца; опыты Столетова
|
|
|
|
Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света (. В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.
1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл.
2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если, то фотоэффект уже не происходит.
электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл:, где — максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла. 
Г.Герц экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ. Виборатор Герца. Открытый колебательный контур.
В результате экспериментов Герц создал источник электромагнитных волн, названный им "вибратором". Вибратор состоял из двух проводящих сфер (в ряде опытов цилиндров) диаметром 10-30 см, укрепленных на концах проволочного разрезанного посредине стержня. Концы половин стержня в месте разреза оканчивались небольшими полированными шариками, образуя искровой промежуток в несколько миллиметров.
|
|
|
Сферы подсоединялись ко вторичной обмотке катушки Румкорфа, являвшейся источником высокого напряжения.
После огромной серии трудоемких и чрезвычайно остроумно поставленных опытов с использованием простейших, так сказать, подручных средств экспериментатор достиг цели. Удалось измерить длины волн и рассчитать скорость их распространения. Были доказаны
наличие отражения, преломления, дифракции, интерференции и поляризации волн. измерена скорость электромагнитной волны
Опыт Столетова
Для того чтобы получить о фотоэффекте более полное представление, нужно выяснить, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) и чем определяется их скорость или кинетическая энергия. С этой целью были проведены экспериментальные исследования. В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух (для того, чтобы столкновения электронов с молекулами газа не вносили осложнения в наблюдаемые явления, а также для того, чтобы предохранить пластинки от окисления), помещаются два электрода (рис. 1).
Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через кварцевое «окошко», прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра R и измерять вольтметром V. К освещаемому электроду (катод К) присоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток. При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода (анод А). Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока так же увеличивается. При некотором напряжении она достигает максимального значения, после чего перестает изменяться (рис. 2). 
Как следует из графиков на рисунке 3, б, величина задерживающего напряжения увеличивается с увеличением частоты падающего света. При уменьшении частоты падающего света Uз уменьшается, и при некоторой частоте ν0) задерживающее напряжение Uз0 = 0. При ν < ν0 фотоэффект не наблюдается. Минимальная частота ν0 (максимальная длина волны ν0) падающего света, при которой еще возможен фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. На основании данных графика 3, б можно построить график зависимости Uз(ν) (рис. 4, б).
|
|
|
Невозможность объяснения фотоэффекта на основе классической теории излучения; гипотеза Планка; уравнение Эйнштейна, объяснение законов фотоэффекта на его основе; многофотонный фотоэффект
На металл падает световая волна. Электроны,
находящиеся в его поверхностном слое, поглощают энергию этой волны, и их
энергия постепенно увеличивается. Когда она становится больше работы выхода,
электроны начинают вылетать из металла. Таким образом, волновая теория света
будто бы способна качественно объяснить явление фотоэффекта.
Однако расчеты показали, что при таком объяснении время между началом освещения
металла и началом вылета электронов должно быть порядка десяти секунд. Между
тем из опыта следует, что t<10-9 c. Следовательно, волновая
теория света не объясняет безынерционности фотоэффекта. Не может она объяснить
и остальные законы фотоэффекта.
Согласно волновой теории кинетическая энергия фотоэлектронов должна
возрастать с увеличением интенсивности света, падающего на металл. А
интенсивность волны определяется амплитудой колебаний напряжённости Е, а не
частотой света. (От интенсивности падающего света зависит лишь число
выбиваемых электронов и сила тока насыщения).
Из волновой теории следует, что энергию, необходимую для вырывания электронов
из металла, способно дать излучение любой длины волны, если его интенсивность
достаточно велика, т.е. что фотоэффект может вызываться любым световым
излучением. Однако существует красная граница фотоэффекта, т.е. получаемая
|
|
|
электронами энергия зависит не от амплитуды волны, а от ее частоты.
Таким образом, попытки объяснить закономерности фотоэффекта на основе
волновых представлений о свете оказались несостоятельными.
Гипо́теза Пла́нка заключающаяся в том, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию, пропорциональной частоте ν излучения: 
коофицент планка
Эйнштейна для фотоэффекта: 
где — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), — кинетическая энергия вылетающего электрона, — частота падающего фотона с энергией, h — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже не достаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.
|
|
|
