Фотоелектричний ефект

Ще в 1887 р. Генріх Герц (1857-1894), який експериментально довів існування електромагнітних хвиль і встановив їх властивості, виявив, що інтенсивність іскри, яка проскакувала між електродами з високою напругою, збільшувалась у тому випадку, коли електроди освітлювались ультрафіолетовим світлом.

Російський вчений О.Г. Столетов (1839-1896) повторив досліди Герца і в 1888р. вперше встановив, що висока напруга для таких дослідів несуттєва, оскільки інтенсивність іскри може збільшуватись і при незначній напрузі між електродами. При проведенні дослідів Столетов встановив, що пластинка із чистого цинку під дією ультрафіолетового випромінювання набуває позитивного електричного заряду, тобто з пластинки вибиваються електрони. Явище вибивання електронів світлом отримало назву фотоелектричного ефекту.

Якщо електрони, вибиті світлом, вилітають за межі речовини фотоефект називають зовнішнім, якщо відірвані від своїх атомів або молекул електрони залишаються всередині освітлювальної речовини, то фотоефект називають внутрішнім.

Для дослідження експерименту можна використати установку, яка зображена на рисунку (12). Дві пластинки А і В розміщені всередині трубки, з якої викачали повітря. Пластинки з'єднані з джерелом напруги, яка регулюється, і амперметром.

При поступовому підвищенні напруги фотострум спочатку зростає, а потім стає постійним.

 

Рис.12.

Найбільший фотострум, який можна отримати при постійному світловому потоці, називається фотострумом насичення. Фотострум насичення отримується при таких напругах, коли всі електрони, які вириваються світловим потоком, з електрода А долітають до електрода В.

Експериментально були встановлені три закони фотоефекту

1. Сила фотоструму насичення пропорційна світловому потоку, що падає на електрод.

2. Максимальна кінетична енергія електронів, які вибиваються з речовини, не залежить від інтенсивності випромінювання, а залежить тільки від частоти випромінювання і матеріалу електрода.

3. Червона межа фотоефекту визначається тільки матеріалом електро­да і не залежить від Інтенсивності випромінювання.

Якщо на електрод по черзі спрямовувати різне монохроматичне випромінювання, то можна помітити, що із збільшенням хвилі випромінювання кінетична енергія електронів, які вибиваються із речовини, зменшується і при досить великій довжині хвилі фотоефект не спостерігається.

Найбільша довжина хвилі, при якій ще можна спостерігати фотоефект, називається червоною межею фотоефекту для даного матеріалу.

У 1905 р. Альберт Ейнштейн (1879-1955) запропонував теорію, яка давала пояснення всіх фактів, пов'язаних з фотоефектом. Ейнштейн узагальнив гіпотезу Планка про квантовий характер процесу обміну енергією і висунув ідею, що будь-яке електромагнітне випромінювання існує у формі дискретних згустків електромагнітної енергії, які називаються квантами, або фотонами. Він запропонував також, що при взаємодії з речовиною фотон поводить себе як частинка і передає свою енергію не речовині в цілому і навіть не атому, а окремому електрону. В основі теорії зовнішнього фотоефекту лежить припущення, що в металах електрони рухаються незалежно один від одного і фотон, що влучає в метал, взаємодіє з одним із них. Тому ця теорія називається одноелектронною.

Згідно з теорією Ейнштейна, кінетична енергія фотоелектрона дорівнює різниці між енергією фотона ультрафіолетового випромінювання і мінімальною енергією, яка необхідна для того, щоб вивільнити електрон із речовини (називається роботою виходу даної речовини), тобто

Оскільки то рівняння можна записати у вигляді

Це рівняння Ейнштейну для зовнішнього ефекту.

Якщо то явище фотоефекту спостерігатися не буде. Червоної межі фотоефекту дорівнюватиме . Фотоефект спостерігається для частот, якщо виконується умова ,a6o для довжин хвиль тут v₀ і «частота і довжина хвилі випромінювання, які відповідають червоній межі фотоефекту. Найменша частота світла яка відповідає червоній межі фотоефекту залежить від роботи виходу, тобто від хімічної природи металу і стану його поверхні. Із фізичного змісту зовнішнього фотоефекту випливає, що загальне число n фотоелектронів, які вилітають за одиницю часу з поверхні металу, пропорційне числу фотонів, що падають за одиницю часу на поверхню металу.