Цель работы: изучение квантового характера поглощения света металлами и определение характеристик фотоэффекта.
I. Основные понятия и определения
В 1887 году Г. Герц обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка облегчает проскакивание искры между ними. Как впоследствии было доказано, эффект вызывался испусканием электроном металлом электрода (катода) под действием света. Явление испускания электроном металлом под действием света называется внешним фотоэффектом. В результате систематических исследований, проведённых в 1888 году Гальваксом, Л.Т. Столетовым и др., было обнаружено ряд закономерностей, которые принято называть законами фотоэффекта.
Если исследования фотоэффекта проводить на установке, схема которой приведена на рисунке 1, то закон фотоэффекта можно сформулировать следующим образом:
1. Существует фототок насыщения, который прямо пропорционален облученности катода и не зависит от частоты света;
2. Существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота, ниже которой фототок не наблюдается;
3. Задерживающий потенциал Uз (максимальная скорость фотоэлектронов) пропорционален частоте света и не зависит от облученности. На рисунке 10.1 приведены основные характеристики фотоэффекта: вольтамперная (ВАХ), световая (САХ), спектральная СХ, которые плдчиняются перечисленным выше законам.
Рис. 10.1.
Под задерживающим потенциалом понимается отрицательное напряжение на аноде, при котором фототок прекращается.
Волновая теория света не в состоянии объяснить закономерности фотоэффекта, в особенность существование его красной границы. В 1905 году А. Эйнштейн выдвинул квантовую гипотезу света, согласно которой свет не только излучается в виде квантов, но и распространяется, и поглощается также в виде квантов (фотонов), энергия которых определяется частотой света ε = hν = hс/λ. Таким образом, свет проявляет не только волновые свойства, но и квантовые, корпускулярные свойства. Эта двойственность света определяется как корпускулярно-волновой дуализм света.
Гипотеза Эйнштейна позволяет объяснить все наблюдаемые закономерности. Действительно, если учесть, что для вывода электрона из металла необходимо совершить работу выхода А, то оставшаяся часть энергии электрона после поглощения фотона будет его кинетической энергией, т.е. hν = А+(mυ2/2). Это выражение называется формулой Эйнштейна для фотоэффекта. Из этой формулы следует существование задерживающего потенциала, при котором кинетическая энергия электрона переходит в энергию тормозящего электрического поля (mυ2/2) = еUз, и электрон не достигает анода. Следует также существование красной границы фотоэффекта, что соответствует равенству энергии фотона к работе выхода hνкр = А. Тогда формулу Эйнштейна можно переписать в виде: hν = hνкр + еUз.
Учитывая, что под облученностью (энергетической освещенностью) Ее понимается энергия света, падающая в единицу времени на единицу площади поверхности. Из вышесказанного также следует, что число фотоэлектронов и будет пропорционально числу фотонов nф , n = βnф и под фототоком насыщения понимается максимальный ток, когда все выбиваемые из катода электроны уходят на анод. Тогда фототок насыщения будет описываться выражением: Iн = βnфhνS = βЕеS = βФе, где Фе — световой поток к S — площадки катода.
Нарушение пропорциональной зависимости роста фототока при росте облученности на САХ объясняется образованием объемного отрицательного заряда у катода и его экранирующим действием. Уменьшение фототока на СХ при росте частоты объясняется ростом поглощения света и, как следствие, уменьшением толщины слоя металла, в котором поглощается свет (уменьшается относительное число фотоэлектронов).
Таким образом, формула Эйнштейна объясняет все закономерности фотоэффекта и подтверждает квантовую природу света. Фотон является частицей с энергией ε = hν. Используя соотношение Эйнштейна E=mc2, получим для массы фотона m= hν/c2 и его импульса рф= hν/c.
Рис. 10.1.