yavor2 (553175), страница 40
Текст из файла (страница 40)
е. от интенсивности волны (З 59.2). Опьпы не подтвердили этого. $68.2, Законы внешнего фотоэффекта 1. Величина фототока зависит от числа электронов, которые под действием света вылетают из металла за единицу времени. О~ и называются фотоэлеюпронами. Опыты показали, что фототок зависит от химической природы металла и состояния его поверхноспп Малейшие загрязнения поверхности изменяют условия вылета электронов из металла и изменяют величину фотогока.
2. Для изучения фотоэффекта используется трубка, изображенная на рис. б8.2. Катод К покрывается металлом, фотоэффект с которого изучается. Через окошко, закрытое кварцевым стеклом О, ультрафиолетовые лучи падают на катод и вызывают фотоэффект на его поверхности. Электроны, вылетевшие из катода, ускоряются электрическим полем, действующим 1 между катодом и анодом А. Напряжение и между катодом и анодом регулируется потенциометром Й и измеряется вольтметром У. Две бал тарен Б, и Б, включены «навстречу Е... друг другу» и позволяют с помощью )и'., потенциометра изменять не только абсолютную величину, но и знак у напряжения и. При некотором достаточном ускоряющем напряжении и все фотоэлектроны, вылетевшие пз катода, достигнут анода.
При этом гальванометр 6 измерит наибольший ток, который возможен при данном освещении и данной температуре катода. Его величина определяется числом электронов, которые вылетели за единицу времени с поверхности катода. Такой фототок называется фатов»оком насыщения н является основной количественной характеристикой фотоэффекта. 3. Электроны, которые вылетают из катода, имеют некоторую кинетическую энергию. Это позволяет им совершать работу против сил задерживающего электрического поля при отрицательном напряжении между катодом и анодом. Поэтому электроны могут и в этом случае достигнуть авода, и фототок будет наблюдаться. Если о„„„— наибольшая начальная скорость электрона с массой т, то его кинетическая энергия будет то„„,/2.
За счет этой энергии 2 электрон может преодолеть тормозящее электрическое поле. Если (--и,) — наибольшее тормозящее напряжение в трубке, прн 196 котором еще наблюдается фотоэффект, то, очевидно, 1 2 9 — то,, = — еиь (б8.1) При и ) ~и,! фототок будет отсутствовать. С увеличением напряжения фототок! постепенно возрастает, так как все большее число электронов достигает анода. Наибольшее значение величины фото- тока будет фототоком насыщения 1„„. Он соответствует таким значениям и, при которых, как указано выше, все электроны, выбиваемые из катода, достигают анода: 1„„= еп, (68.2) 9 68.3.
Понятие о квантовой природе света. Квантовое объяснение законов внешнего фотоэффекта 1. Эйнштейн в 1905 г. развил и углубил те идеи Планка, о которых шла речь в предыдущей главе о тепловом излучении. Согласно Планку, лишь процессы испускания и поглощения света происходят прерывно, отдельными порциями. Эйнштейн пришел к выводу, что свет должен не только излучаться и поглощаться, но также и распространяться в пространстве в виде отдельных порций энергии — квантов электромагнитного поля.
Эти кванты иначе называются фотонами. Необходимо подчеркнуть, что идеи )97 где и — число электронов, вылетающих из катода за единицу времени. 4. Опытным путем установлены три закона внешнего фотоэффекта: 1) Максимальная начальная скорость фотозлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности. 2) Для каждого вещества существует красная граница фотовффекта, т. е. такая наименьшая частота света ч„при которой еще возможен внешний фотоэффект. 3) Число фотоэлектронов, вырываемая из катода за единицу времени 1фототок насьицения), прямо пропорционально интенсивности свепга. Кроме того, установлена практическая безынерционность фотоэффекта: он немедленно возникает при освещении поверхности тела, при условии, что частота света ч ~ч, и эффект существует.
5. Заметим, что первый и второй законы фотоэффекта находятся в противоречии с тем объяснением явления фотоэффекта, которое вытекает из электромагнитной теории света и приведено в п. 3 9 б8.1. Трудности в объяснении законов фотоэффекта на основе волновой теории света были преодолены Эйнштейном в 1905 г. на основе его квантовой теории света. Соображения, которые привели Эйнштейна к этой теории, выходят за рамки данной книги.
Заметим лишь, что они были связаны с глубоким анализом свойств теплового излучения абсолютно черного тела. Эйнштейна представляют собой отход от классической волновой оптики. Распространение света здесь рассматривается не как непрерывный волновой процесс, а как поток особых частиц — фотонов, движущихся всегда со скоростью с (с — скорость света в ва кууме). В монохроматическом свете с частотой ч все фотоны имеют одинаковую энергию, равную йч.
Поглощение света состоит в том, что фотоны передают всю свою энергию атомам и молекулам вещества. Из этого следует, что поглощение света, как и его распространение, происходит прерывно, отдельными порциями. 2. Квантовая точка зрения на природу света позволяет иначе, чем в электромагнитной теории, подойти к объяснению внешнего фотоэффекта в металлах. Известно, что для выхода из металла электрон должен преодолеть потенциальный барьер на границе металл — вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода А, (9 44.9). Рассмотрим поглощение фотона электроном металла.
В результате поглощения фотона его энергия Ьч целиком будет передана электрону. Если йч ~А„то электрон сможет совершить работу выхода и вырваться из металла. Наибольшую кинетическую энергию, которую сможет приобрести фотоэлектрон, можно найти по закону сохранения энергии: 2 панс 2 ь Уравнение (68.3) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Его можно переписать иначе: 2 йч= А,+ (68.3') Энергия поглощенного фотона расходуется на совершение электроном работы выхода и приобретение им максимальной кинетической энергии. Комбинируя формулы (68А) и (68.3), можно также написать еи, =Ьч — А,. (68.4) 3. Уравнения Эйнштейна (68.3) или (68.3') правильно объясняют все законы внешнего фотоэффекта.
Так, из формулы (68.3) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, а следовательно, и его максимальная начальная скорость зависят от частоты света ч и работы выхода А„ но не зависят от интенсивности света. Это есть первый закон внешнего фотоэффекта. Далее, из тех же уравнений следует, что внешний фотоэффект возможен лишь при условии, что йч)А,. Энергии фотона должно по меньшей мере хватить на то, чтобы оторвать электрон от металла и не сообщить ему кинетической энергии (о„,„, = О).
Обозначив через ч, наименьшую частоту света, при которой возможен фотоэффект 198 (красная граница фотоэффекта *)), имеем йуа — — Аа (68.5) са = А,/й. (68.5') Красная граница фотоэффекта зависит только от величины работы выхода электрона, т. е. от химической природы металла и состояния его поверхности. Таким образом объясняется второй закон фотоэффекта. Наконец, общее число а фотоэлектронов, покидающих за единицу времени поверхность металла, должно быть пропорционально числу фотонов и', падающих за это же время на поверхность (а и').
Если через Е обозначить освещенность поверхности, пропорциональную интенсивности света, то число ежесекундно падающих на поверхность фотонов будет и' Е/йт. Таким образом доказывается третий закон внешнего фотоэффекта: число фотоэлектронов, ежесекундно вылетающих из металла, пропорционально интенсивности света. Все сказанное выше о фотоэффекте относится к тому случаю„ когда один фотон поглощается электроном металла. При очень больших интенсивностях светл, например при лазерном облучении (Э 79.3), один электрон может поглотить два совершенно одинаковых фотона. В этом случае законы фотоэффекта нарушаются. В частности, не будет выполняться закон красной границы.
В самом деле, два одинаковых фотона с энергией 2йт будут проявлять себя как один фотон с удвоенной частотой, ибо 2йт =й(2т). Это значит, что частота света как бы удвоится. При одновременном многофотонном поглощении частота света станет равной как бы пт (где и— целое число) и условие красной границы фотоэффекта (формула (68.5)) не будет выполняться.
4. Формулы (68.4) н (68.5) можно объединить в форме, удобной для опытной проверки уравнения Эйнштейна: еи, = й (ч — че). (68.6) Подтверждением правильности формулы (68.6) является опреде- ление из нее постоянной Планка: еп» т» Из опыта необходимо определить величину напряжения ( — и,), при котором исчезает фототок, Далее, необходимо построить графически зависимость еи, от и. Эта зависимость выражается прямыми, представленными на рис.
68.3 для трех металлов: алюминия, цинка и никеля. Точками изображены результаты измерений еи, *) Красной эта граница названа потому, что при длинах воли Х, превосходи. пгих х» —— сГт„т. е. »более красных», чем Х», фотоэффект не происходит. при различных частотах. Видно, что все прямые параллельны друг другу, причем наклон прямых не зависит от природы металла, По углу между прямыми и осью абсцисс можно определить постоянную Планка: 1ясс =- ЙК, где К вЂ” соотношение размерных величин, принятых за единицы масштаба по осям еи, и э. В наиболее точных опытах, проведенных в 1928 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
