- Открытие фотоэффекта. Три закона фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта
- знать три закона фотоэффекта; связь между кинетической энергией фотоэлектронов и запирающим напряжением; уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
- уметь объяснять суть явления фотоэффекта; находить красную границу фотоэффекта
- Какие действия света вам известны?
- Как можно вырвать электрон с поверхности вещества?
- Сформулируйте гипотезу Планка.
Открытие фотоэффекта. Три закона фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта
Впервые явление фотоэффекта обнаружил Г. Герц в 1887 г. при изучении явления возникновения искрового разряда между двумя заряжёнными телами. Учёный обнаружил, что при освещении тел ультрафиолетовым светом напряжение, необходимое для возникновения искры, уменьшается.
Тщательным изучением данного явления занимался русский физик А. Г. Столетов. В ходе экспериментов учёный установил, что под действием света отрицательно заряжённое тело разряжается. Оказалось, что свет способен выбивать с поверхности тел электроны, которые уносили отрицательный заряд с тела (рис. 1).
Внешний фотоэффект — это вырывание электронов с поверхности вещества под действием света.
Выбиваемые с поверхности вещества электроны называются фотоэлектронами, а сам процесс их вырывания — фотоэлектронной эмиссией.
На рисунке 2 показана схема установки для изучения законов внешнего фотоэффекта.
В стеклянном баллоне, из которого откачан воздух, расположены два электрода. Свет поступает на один из электродов, называемый фотокатодом, через кварцевое окошко, прозрачное как для видимого света, так и для ультрафиолетового излучения.
Электроды находятся под напряжением, которое можно менять. Фотокатод подсоединён к отрицательному полюсу батареи, второй электрод — к положительному.
Таким образом, между электродами образуется электрическое поле. Под действием света фотокатод испускает электроны, которые под действием электрического поля движутся к аноду.
Таким образом, между электродами начинает протекать электрический ток — фототок. При недостаточной разности потенциалов между электродами не все электроны достигают второго электрода. При увеличении напряжения величина фототока возрастает до некоторого максимального значения , называемого током насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения значение силы тока не изменяется (рис. 3).
В ходе экспериментов было установлено, что количество вырываемых с поверхности металла электронов за 1 с прямо пропорционально поглощаемой за 1 с энергии световой волны.
Первый закон фотоэффекта: сила фототока насыщения при неизменной частоте падающего света прямо пропорциональна его интенсивности.
Из приведённого на рисунке 3 графика видно, что фототок наблюдается даже при нулевой разности потенциалов между электродами. Следовательно, в этом случае, несмотря на отсутствие напряжения, часть выбиваемых электронов достигает второго электрода.
Если поменять местами полюса батареи, сила фототока будет уменьшаться, так как электрическое поле будет тормозить фотоэлектроны вплоть до полной остановки и возвращать их на фотокатод. При некотором значении напряжения поток прекратится. Величина соответствующей разности потенциалов называется запирающим (задерживающим) напряжением .
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна работе, которую они совершают против сил электрического поля:
,
где [кг] — масса электрона;
[м/с] — максимальная скорость электронов;
[В] — запирающее напряжение;
[Кл] — заряд электрона.
Экспериментально установлено, что задерживающее напряжение, а значит, и кинетическая энергия, не меняется при изменении интенсивности света, но меняется при изменении частоты падающего света.
Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастёт с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности: .
Представление о свете как об электромагнитной волне, непрерывно распределённой в пространстве, не позволяло объяснить явление фотоэффекта. Лишь в 1905 г., после того как Планк высказал предположение о дискретности света, Эйнштейн смог сформулировать законченную теорию фотоэффекта.
Световая энергия излучается порциями, квантами; вещество может поглощать энергию также только порционно. Энергия порции электромагнитного излучения, согласно Планку, равна
.
Таким образом, энергия фотона падающего света расходуется на совершение работы, необходимой для вырывания электрона из вещества — работы выхода — и на сообщение кинетической энергии фотоэлектрону:
.
Согласно Эйнштейну, кинетическая энергия фотоэлектронов определяется только частотой (длиной волны) падающего света и работой выхода.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: .
Работа выхода определяется видом металла и состоянием его поверхности. Понятно, что для различных веществ значение работы выхода также будет отличаться.
Чтобы вырвать электрон с поверхности вещества, необходимо, как минимум, совершить работу выхода.
Следовательно, для реализации фотоэффекта частота падающего света должна превышать некоторое минимальное значение . Энергия фотона должна быть больше работы выхода:
.
Минимально предельную частоту называют красной границей фотоэффекта:
.
Третий закон фотоэффекта: фотоэффект наблюдается только в том случае, если частота падающего света больше минимального значения , соответствующего красной границе фотоэффекта: .
Очевидно, что для каждого вещества существует своя красная граница фотоэффекта. Так, для цинка красной границе соответствует длина волны ультрафиолетового излучения . Поэтому, если поместить между цинковой пластиной и источником света стеклянную пластину, стекло будет задерживать ультрафиолетовые лучи и фотоэффект наблюдаться не будет.
Если экспериментально определить частоту падающего света, работу выхода и кинетическую энергию вылетающих с поверхности вещества электронов, то, используя уравнение , можно рассчитать постоянную Планка. Расчёты показывают, что полученная величина соответствует значению, найденному Планком при изучении теплового излучения. Совпадение полученных величин позволяет судить о справедливости предположения о дискретном характере электромагнитного излучения.
Три закона фотоэффекта:
1. Сила фототока насыщения при неизменной частоте падающего света прямо пропорциональна его интенсивности.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастёт с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности: .
3. Фотоэффект наблюдается только в том случае, если частота падающего света больше минимального значения , соответствующего красной границе фотоэффекта: .
Энергия фотона падающего света расходуется на совершение работы, необходимой для вырывания электрона из вещества — работы выхода — и на сообщение кинетической энергии фотоэлектрону: .
Контрольные вопросы
1. Что такое запирающее напряжение?
2. От чего зависит работа выхода? Изменится ли данная величина при уменьшении частоты падающего света?
3. Как выглядит уравнение Эйнштейна для фотоэффекта? Объясните физический смысл величин, входящих в данную формулу.
4. Что такое красная граница фотоэффекта?