Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 102
Текст из файла (страница 102)
При высокой температуре вокруг этой спирали образуется неподвижный слой газа и исключается теплооб. мен вследствие конвенции. Энергетический 5 Оптика Кваитоэкн 324 привила ичл1 мьия к. п. д. ламп накаливания в настоящее время не превосходит 5 %. ~ 202 Виды фотоэлектрнческого эффекта. Законы внешнего фотоэффекта Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта— явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фото- эффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.
Внешний фото- эффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Фотоэффект обнаружен (1887 г.) Г. Герцем, наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.
Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 289. Два электрода (катод К из исследуемого металла и анод А— в схеме Столетова применялась металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра Я можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при осве- Рис. 2аэ шенин катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени: 1) наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение; 2) под действием света вещество теряет только отрицательные заряды; 3) сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.
Дж. Дж. Томсон в 1898 г. измерил удельный заряд испускаемых под действием света частиц (по отклонению в электрическом и магнитном полях). Эти измерения показали, что под действием света вырываются электроны. Внутренний фотоэффект — это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика нз связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению э. д. с.
Вентильный фотоэффект — возникновение э. д. с, (фото-э, д. с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильиый фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. На рис. 289 приведена экспериментальная установка для исследования вольт-амперной характеристики фотоэффекта — зависимости фототоиа /, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения () между электролами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещеиностям Е, катода (частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рис. 290.
По мере увеличения (1 фототок постепенно возрастает, т. е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что Г л а а а 26. Кванговая природа излучения З25 -и, о и Рас. 290 электроны вылетают из катода с различ. ными скоростями. Максимальное значение тока /„„— фототок насыщения — определяется таким значением (/, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода: /»«« — еп, где и — число электронов, испускаемых катодом в 1 с. Из вольт-амперной характеристики следует, что прн (/ =0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью и, а значит, н отличной от нуля кинетической энергией н могут достигнуть анода без внешнего поля.
Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение (/а Прн (/=(/«ни адин нз электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью п,„, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно, гли' „/2 =а(/м (202. !) т. е., измерив задерживающее напряжение (/о, можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотозлектронов. При изучении вольт-амнерных характеристик разнообразных материалов (важна чистота поверхности, поэтому измерения проводятся в вакууме н на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях ка. тода и обобщенна полученных данных были установлены следующие трн закона внешнего фотоэффекта. !.
Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фото- электронов, вырываемых нз катода в единицу времени, пропорционально интенснв. ности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Е, катода). (!. Максимальная начальная скорость (максимальнаи начальная кинетическая энергия) фотозлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ж а именно линейно возрастает с увеличением частоты.
!П Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т. е. ми. нимальная частота т«света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает. Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебании электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл; тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия, с ноторой электрон вырывается из металла, должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, так как с увеличением последней электрону пере. давалась бы большая энергия.
Однако этот вывод противоречит 1! закону фотоэффекта. Так как, по волновой теории, энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны нз металла; иными словами, «красной границы» фотоэффекта не должно быть, что противоречит П! закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не смогла объяснить безынерционмость фотоэффекта, установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света. 32в 5. Оптика. Квантовая привоза пклтчаппк й 203. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть обънснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет частотой т ие только испрскаегсл, как это предполагал Планк (см.4 200), но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых за=йш Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме. Эти кванты электромагнитного излучения получили название фотонов. По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (! закон фотоэффекта).
Беэынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно. Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла (см.4104) и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии пап~,„/2.
По закону сохранения энергии, Лт=А+тоа„а„!2. (203.1) Уравнение (203.1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить 1! и Ш законы фотоэффекта. Из (203.1) непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фото- электрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения н не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни А, ни ч от интенсивности света не зависят (П закон фотоэффекта). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А= =сонэ(), то при некоторой достаточно малой частоте т=ча кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (Ш закон фотоэффекта).
Согласно изложенному, из (203,1) получим, что та =А/Л (203.2) и есть «красная граница» фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т. е, от химической природы вещества и состояния его поверхности. Выражение (203.1), используя (202.1) и (203.2), можно записать в виде еи =Л( — ). Уравнение Эйнштейна было подтверждено опытамн Милликеиа. В его приборе (1916 г.) поверхность исследуемого металла подвергалась очистке в вакууме (фотоэффект и работа выхода сильно зависят от состояния поверхности).
Исследовалась зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов (изменялось задерживающее напряжение ()а (см. (202.1)) от частоты ч и определялась постоянная Планка. В !926 г. советские физики П. И. Лукирский (1894 в 1954) и С. С. Прнлежаев для исследования фотоэффекта применили метод вакуумного сферического конденсатора. Анодом в их установке служили посеребренные стенки стеклянного сферического баллона, а катодом — шарик (Р ш 1,5 см) из исследуемого металла, помещенный в центр сферы. В остальном схема принципиально не отличается от описанной на рис. 289.
Такая форма электродов позволила увеличить наклон вольт-амперных характеристик н тем самым более точно определять задерживающее напряжение (га (а следовательно, и Л). Значение Л, полученное из данных опытов, согласуется со значениями, найденными другими методами (по излучению черного тела ($ 200) и по коротковолновой границе сплошного рентге- Г л а в а 26. Квантовая нриршш излучения панского спектра ($229) ). Все это является доказательством правильности уравнения Эйнштейна, а вместе с тем и его квантовой теории фотоэффекта. Если интенсивность света очень большая (лазерные пучки; см. 4 233), то возможен миогофотонный (нелинейный) фотоэффект, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от л! фо. тонов (А!=2 †: 7). Уравнение Эйнштейна для многафотонного фотоэффекта АГАч = А+ та~,„/2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
