Опорні конспекти лекцій з фізики РЕСУРС: fizmat.7mile.net

ОБЕРІТЬ РОЗДІЛ

  КВАНТОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Зовнішній фотоефект і його закони. Рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту

Поглинання світлового випромінювання в речовині часто супроводжується електричними явищами, які називають фотоелектричним ефектом.

Фотоелектричним ефектом називаються електричні явища, які супровод­жують поглинання світлового випромінювання в речовині.

Розрізняють:

1)  зовнішній фотоефект – виривання електронів з речовини під дією світла;

2)  внутрішній фотоефект, при якому відбувається лише збільшення кількості вільних електронів всередині речовини, але вони не виходять назовні;

3)  фотогальванічний ефект, при якому на границі поділу напівпровідника і металу або на границі поділу двох напівпровідників під впливом опромінювання виникає електрорушійна сила (за відсутності зовнішнього електричного поля);

4)  фотоефект в газоподібному середовищі, який полягає у фотоіонізації окремих молекул або атомів.

Розглянемо закономірності зовнішнього фотоефекту. Зовнішній фотоефект спостерігається у твердих тілах, а також у газах. Фотоефект відкрив у 1887 р. Г. Герц, який виявив, що при освітленні негативного електрода іскрового розрядника ультрафіолетовими променями розряд відбувається при меншій напрузі між електродами, ніж без такого освітлення.

Перші фундаментальні дослідження фотоефекту виконані в 1888 – 1889 р.р. О.Г. Столєтовим за допомогою установки, що показана на рис. 272. Конденсатор, утворений дротяною сіткою з міді C і суцільною цинковою пластинкою D, був послідовно ввімкнений з гальванометром G в коло акумуляторної батареї Б. При освітленні негативно зарядженої пластини світлом від джерела у колі виникав електричний струм, який називається фотострумом. На основі своїх дослідів Столєтов дійшов таких висновків:

1)  найбільшу дію чинять ультрафіолетові хвилі;

2)  сила струму зростає із збільшенням освітленості пластини;

3)  заряди, які випускаються під дією світла, мають від’ємний знак.

У 1898 р. Леонард і Томсон методом відхилення зарядів у електричному і магнітному полях визначили питомий заряд  частинок, що вириваються світлом з катода, довівши, що ці частинки є електронами.

Леонард й інші дослідники удосконалили прилад Столєтова, помістивши електроди у вакуумну трубку (рис. 273).

Катод К, який покритий досліджуваним металом, освітлювався монохроматичним світлом, що проходить у трубку через
кварцове вікно. Напругу між катодом і анодом можна регулювати за допомогою потенціометра П і вимірюють вольтметром V. Дві акумуляторні батареї Б1 і Б2, увім­кнуті „назустріч одна одній”, дають можливість за допомогою потенціометра змінювати не лише абсолютну величину, а й знак напруги U. Цей пристрій дав можливість дослідити вольт-амперну характеристику фотоефекту – залежність фотоструму І від напруги між електродами (рис. 274).

Така залежність відповідає двом різним освітленостям Е катода. У міру
збільшення напруги U фотострум І поступово зростає, тобто все більша кількість фотоелектронів досягає анода. Максималь­не значення фотоструму Ін, яке називається фотострумом насичення, відповідає таким значенням
U, при яких усі електрони, що вибиваються з катода, досягають анода: Ін=en, де n – кількість електронів, які вилітають з катода за .

З вольт-амперної характеристики виходить, що при U=0 фотострум не зникає. Електрони, вибиті з катода світлом, мають деяку початкову швидкість , а отже, і відмінну від нуля кінетичну енергію і можуть досягати анода без зовнішнього поля. Для того, щоб фотострум став нульовим, необхідно прикласти затримуючу напругу . При  жоден з електронів не може подолати затримуючого поля і досягнути анода. Отже,

,

тобто, вимірявши , можна знайти максимальне значення швидкості і кінетичної енергії фотоелектронів.

Дослідами встановлено такі основні закони зовнішнього фотоефекту:

І.   Закон Столєтова: при фіксованій частоті падаючого світла кількість фотоелектронів, що вириваються з катода за одиницю часу, пропорційне до інтенсивності світла (сила фотоструму насичення пропорційна до енергетичної освітленості E катода – ,  – спектральна густина фотокатода).

ІІ.  Максимальна початкова швидкість фотоелектронів визначається лише частотою  світла і не залежить від його інтенсивності. Величина  зростає із збільшенням частоти .

ІІІ. Для кожної речовини існує „червона межа” фотоефекту, тобто максимальна довжина хвилі , при якій спостерігається фотоефект. Величина  залежить від хімічної природи речовини і стану його поверхні.

Важливе значення має залежність спектральної чутливості від довжини світлової хвилі. З рис. 275 видно, що, починаючи від „чер­воної межі”, із змен­шенням  відбувається зростання чутливості фотокатода.

Столєтовим була встановлена фактична безінерційність зовнішнього фотоефекту. Проміжок часу між початком освітлення і початком фотоструму не перевищує .

Фотоефект не можна пояснити з
погляду хвильової теорії світла.

А. Ейнштейн в 1905 р. показав, що явище фотоефекту і його закономірності можуть бути пояснені на основі запропонованої ним квантової теорії фотоефекту.

Згідно з Ейнштейном світло частотою  не лише випромінюється, але і поширюється в просторі і поглинається речовиною окремими порціями, енергія яких . Поширення світла треба розглядати не як неперервний хвильовий процес, а як потік локалізованих у просторі дискет­них світлових квантів, що рухаються зі швидкістю поширення світла у вакуумі. Ці кванти електромагнітного випромінювання отримали назву фотонів.

За Ейнштейном кожний фотон пог­линається лише одним електроном. Тому кількість вирваних фотоелектронів повинна бути пропорційна до кількості поглинутих фотонів, тобто пропорційна до ін­тенсивності світла (І закон фотоефекту). Безінерційність фотоефекту пояснюється тим, що передача енергії при зіткненні фотона з електроном відбувається майже миттєво.

Енергія падаючого фотона витрачається на виконання електроном роботи виходу А з металу і на надання електрону, який вилетів, кінетичної енергії .

За законом збереження енергії

.

Це рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.

Перевірку формули Ейнштейна з достатньою точністю здійснив в 1916 р. Міллікен, який створив прилад, в якому поверхні, які досліджувались, очищались у вакуумі і після чого вимірювалась робота виходу А і досліджувалась залежність максимальної кінетичної енергії фотоелектронів від частоти  світла. Результати вимірювань повністю підтвердили справедливість формули Ейнштейна.

Рівняння Ейнштейна дає змогу пояснити ІІ і ІІІ закони фотоефекту. Максимальна кінетична енергія фотоелектрона лінійно зростає із збільшенням частоти падаючого випромінювання і не залежить від його інтенсивності, оскільки ні робота виходу А, ні частота  від інтенсивності світ­ла не залежать (ІІ закон). Оскільки із змен­шенням частоти світла кінетична енергія фотоелектронів зменшується, то при деякій досить малій частоті  кінетич­на енергія фотоелектронів буде дорівнювати нулю. Енергії кванта вистачає тільки, щоб вирвати електрон з металу. Отже,

.

Величина  залежить лише від роботи виходу електрона, тобто від хімічної природи речовини і стану її поверхні.

Якщо створити поле, яке затримуватиме рух електронів, тобто на катод подати „+”, а на анод „–”, то фотострум буде зменшуватись і при напрузі  струм дорівнюватиме нулю. Ця напруга називається затримуючим потенціалом. Робота поля

.

Тоді формула Ейнштейна матиме вигляд:

 .

Якщо замість роботи виходу підставити значення енергії фотона, що відповідає червоній межі фотоефекту, то

   і   .

Із цим матеріалом переглядають:

ü   КВАНТОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

1.      Теплове випромінювання. Абсолютно чорне тіло. Закон Кірхгофа.

2.      Закон Стефана Больцмана. Закон Віна. Формула Релея-Джінса.

3.      Квантова гіпотеза і формула Планка.

4.      Зовнішній фотоефект і його закони. Рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.

5.      Маса та імпульс фотона.

6.      Ефект Комптона і його теорія.

7.      Історична довідка.

ПОПЕРЕДНЯ        ЗМІСТ      НАСТУПНА

Рекомендований контент:

Щоб забезпечити вам кращий онлайн-досвід, цей веб-сайт використовує файли cookie.

Використовуючи наш веб-сайт, ви погоджуєтесь на наше використання файлів cookie Детальніше про cookies

РЕСУРС: fizmat.7mile.net