Фотоэффект

Фотоэлектрический эффект является одним из важнейших проявлений взаимодействия света с веществом, которое раскрывает фотонную природу света, а также имеет большое практическое значение. Он является результатом взаимодействия фотонов света с электронами вещества. В частности, в конденсированных системах (твердых телах, жидкостях) фотоны вызывают несколько видов проявлений фотоэлектрического эффекта:

• вылет электронов за пределы тел (фотоэффект),
• переход электронов с одного энергетического уровня на другой (внутренний фотоэффект)
• в газах фотоэффект сводится к ионизации атомов и молекул под действием света.

Существует также ядерный фотоэффект – высвобождение составляющих ядра (нуклонов) под действием жесткого $γ$-излучения.

Открытие фотоэффекта

Явление фотоэффекта открыл немецкий физик Герц в 1883 г. Он заметил, что электрический разряд между двумя разноименно заряженными цинковыми шариками сильно уменьшается, если их осветить ультрафиолетовым светом. Однако фотоэффект как самостоятельное явление в 1888-1890 гг. изучил русский физик А. Г. Столетов.

Уже в первых опытах с заряженными металлическими пластинками он обнаружил, что под влиянием падающего света, преимущественно ультрафиолетового, тело теряет заряд, но только тогда, когда оно заряжено отрицательно; положительный заряд тела под действием света не уменьшается.

Позже А. Г. Столетов с целью устранения посторонних воздействий размещал исследуемую пластинку в вакуумной камере, где она была катодом $К$ для анода вводил пластинку $А$. Катод освещался через кварцевое окошко $В$:

Опыты, проведенные с различными металлическими пластинками, показывали, что ток в цепи появляется тогда, когда катод освещается. Очевидно, носителями тока в вакуумной трубке становились электроны катода, высвобожденные под действием света.

Увеличение напряжения между катодом и анодом сначала приводило к увеличению фототока в кругу, однако при достижении некоторого напряжения фототок переставал расти и оставался независимым от напряжения. Образовывался ток насыщения.

Дальнейшее повышение тока можно было вызвать только увеличением интенсивности света, падающего на катод.

Количественные характеристики фотоэффекта

Ток насыщения при фотоэффекте можно выразить через заряд электрона $е$ и количество электронов $n$, высвобождающихся из катода за единицу времени:

$I_н=en$

Таким образом, по току насыщения можно было судить о количестве электронов, которые высвобождаются из катода за единицу времени, и о зависимости их числа от интенсивности падающего светового потока.

Опыты с чувствительным гальванометром показали, что поток электронов от освещенного катода достигает анода и без ускоряющего напряжения между ними. Чтобы свести фототок к нулю, пришлось приложить к электродам в приборе А. Г. Столетова некоторое тормозное напряжение $U_1$. Очевидно, электроны, высвободившиеся из катода под действием света, получали определенную скорость, которую можно было определить по значению тормозного напряжения $U_1$, а именно:

$\frac{m{{v}^{2}}}{2}=e{{U}_{1}} \\$

$v=\sqrt{2\frac{e}{m}{{U}_{1}}} \\$

где $e$ и $m$ – соответственно заряд и масса электрона.

Высвобождение электронов из металлов под действием света можно было объяснить действием электрического или магнитного поля. И этот факт подтверждал волновую электромагнитную природу света. Однако закономерности фотоэффекта невозможно было согласовать с основными положениями волновой теории света. Трудно было объяснить безинерционность фотоэффекта, поскольку из падающего волнового потока электрон из-за очень малых размеров должен воспринимать очень незначительную энергию и накапливать ее длительное время, пока она станет достаточной для преодоления связей электрона с атомами.

Расчеты показывают, что даже при значительной интенсивности света, выход электрона должен наступать только через несколько дней. На самом же деле такой зависимости фотоэффекта от интенсивности света не существует.

Не знаете, где заказать написание статьи по физике на заказ? Авторы Студворк к вашим услугам!

Тест по теме “Фотоэффект”