Темы кодификатора ЕГЭ : гипотеза М.Планка о квантах, фотоэффект, опыты А.Г.Столетова, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Фотоэффект - это выбивание электронов из вещества падающим светом. Явление фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем в 1887 году в ходе его знаменитых экспериментов по излучению электромагнитных волн.
Напомним, что Герц использовал специальный разрядник (вибратор Герца) - разрезанный пополам стержень с парой металлических шариков на концах разреза. На стержень подавалось высокое напряжение, и в промежутке между шариками проскакивала искра. Так вот, Герц обнаружил, что при облучении отрицательно заряженного шарика ультрафиолетовым светом проскакивание искры облегчалось.

Герц, однако, был поглощён исследованием электромагнитных волн и не принял данный факт во внимание. Год спустя фотоэффект был независимо открыт русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Тщательные экспериментальные исследования, проведённые Столетовым в течение двух лет, позволили сформулировать основные законы фотоэффекта.

Опыты Столетова

В своих знаменитых экспериментах Столетов использовал фотоэлемент собственной конструкции (Фотоэлементом называется любое устройство, позволяющее наблюдать фотоэффект). Его схема изображена на рис. 1 .

Рис. 1. Фотоэлемент Столетова

В стеклянную колбу, из которой выкачан воздух (чтобы не мешать лететь электронам), введены два электрода: цинковый катод и анод . На катод и анод подаётся напряжение, величину которого можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром .

Сейчас на катод подан «минус», а на анод - «плюс», но можно сделать и наоборот (и эта перемена знака - существенная часть опытов Столетова). Напряжению на электродах приписывается тот знак, который подан на анод (Поэтому поданное на электроды напряжение часто называют анодным напряжением ). В данном случае, например, напряжение положительно.

Катод освещается ультрафиолетовыми лучами УФ через специальное кварцевое окошко, сделанное в колбе (стекло поглощает ультрафиолет, а кварц пропускает). Ультрафиолетовое излучение выбивает с катода электроны , которые разгоняются напряжением и летят на анод. Включённый в цепь миллиамперметр регистрирует электрический ток. Этот ток называется фототоком , а выбитые электроны, его создающие, называются фотоэлектронами .

В опытах Столетова можно независимо варьировать три величины: анодное напряжение, интенсивность света и его частоту.

Зависимость фототока от напряжения

Меняя величину и знак анодного напряжения, можно проследить, как меняется фототок. График этой зависимости, называемый характеристикой фотоэлемента , представлен на рис. 2 .

Рис. 2. Характеристика фотоэлемента

Давайте обсудим ход полученной кривой. Прежде всего заметим, что электроны вылетают из катода с различными скоростями и в разных направлениях; максимальную скорость, которую имеют фотоэлектроны в условиях опыта, обозначим .

Если напряжение отрицательно и велико по модулю, то фототок отсутствует. Это легко понять: электрическое поле, действующее на электроны со стороны катода и анода, является тормозящим (на катоде «плюс», на аноде «минус») и обладает столь большой величиной, что электроны не в состоянии долететь до анода. Начального запаса кинетической энергии не хватает - электроны теряют свою скорость на подступах к аноду и разворачиваются обратно на катод. Максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов оказывается меньше, чем модуль работы поля при перемещении электрона с катода на анод:

Здесь кг - масса электрона, Кл - его заряд.

Будем постепенно увеличивать напряжение, т.е. двигаться слева направо вдоль оси из далёких отрицательных значений.

Поначалу тока по-прежнему нет, но точка разворота электронов становится всё ближе к аноду. Наконец, при достижении напряжения , которое называется задерживающим напряжением , электроны разворачиваются назад в момент достижения анода (иначе говоря, электроны прибывают на анод с нулевой скоростью). Имеем:

(1)

Таким образом, величина задерживающего напряжения позволяет определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов .

При небольшом превышении задерживающего напряжения появляется слабый фототок. Его формируют электроны, вылетевшие с максимальной кинетической энергией почти точно вдоль оси колбы (т.е. почти перпендикулярно катоду): теперь электронам хватает этой энергии, чтобы добраться до анода с ненулевой скоростью и замкнуть цепь. Остальные электроны, которые имеют меньшие скорости или полетели в сторону от анода, на анод не попадают.

При повышении напряжения фототок увеличивается. Анода достигает большее количество электронов, вылетающих из катода под всё большими углами к оси колбы. Обратите внимание, что фототок присутствует при нулевом напряжении!

Когда напряжение выходит в область положительных значений, фототок продолжает возрастать. Оно и понятно: электрическое поле теперь разгоняет электроны, поэтому всё большее их число получают шанс оказаться на аноде. Однако достигают анода пока ещё не все фотоэлектроны. Например, электрон, вылетевший с максимальной скоростью перпендикулярно оси колбы (т.е. вдоль катода), хоть и развернётся полем в нужном направлении, но не настолько сильно, чтобы попасть на анод.

Наконец, при достаточно больших положительных значениях напряжения ток достигает своей предельной величины , называемой током насыщения , и дальше возрастать перестаёт.

Почему? Дело в том, что напряжение, ускоряющее электроны, становится настолько велико, что анод захватывает вообще все электроны, выбитые из катода - в каком бы направлении и с какими бы скоростями они не начинали движение. Стало быть, дальнейших возможностей увеличиваться у фототока попросту нет - ресурс, так сказать, исчерпан.

Законы фотоэффекта

Величина тока насыщения - это, по существу, количество электронов, выбиваемых из катода за одну секунду. Будем менять интенсивность света, не трогая частоту. Опыт показывает, что ток насыщения меняется пропорционально интенсивности света.

Первый закон фотоэффекта . Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте) .

Ничего неожиданного в этом нет: чем больше энергии несёт излучение, тем ощутимее наблюдаемый результат. Загадки начинаются дальше.

А именно, будем изучать зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты и интенсивности падающего света. Сделать это несложно: ведь в силу формулы (1) нахождение максимальной кинетической энергии выбитых электронов фактически сводится к измерению задерживающего напряжения.

Сначала меняем частоту излучения при фиксированной интенсивности. Получается такой график (рис. 3 ):

Рис. 3. Зависимость энергии фотоэлектронов от частоты света

Как видим, существует некоторая частота , называемая красной границей фотоэффекта , разделяющая две принципиально разные области графика. Если , то фотоэффекта нет.

Если же class="tex" alt="\nu > \nu_0"> , то максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растёт с частотой.

Теперь, наоборот, фиксируем частоту и меняем интенсивность света. Если при этом , то фотоэффект не возникает, какова бы ни была интенсивность! Не менее удивительный факт обнаруживается и при class="tex" alt="\nu > \nu_0"> : максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов от интенсивности света не зависит.

Все эти факты нашли отражение во втором и третьем законах фотоэффекта.

Второй закон фотоэффекта . Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности .

Третий закон фотоэффекта . Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта - наименьшая частота света , при которой фотоэффект ещё возможен. При фотоэффект не наблюдается ни при какой интенсивности света .

Трудности классического объяснения фотоэффекта

Как можно было бы объяснить фотоэффект с точки зрения классической электродинамики и волновых представлений о свете?

Известно, что для вырывания электрона из вещества требуется сообщить ему некоторую энергию , называемую работой выхода электрона. В случае свободного электрона в металле это работа по преодолению поля положительных ионов кристаллической решётки, удерживающего электрон на границе металла. В случае электрона, находящегося в атоме, работа выхода есть работа по разрыву связи электрона с ядром.

В переменном электрическом поле световой волны электрон начинает совершать колебания.

И если энергия колебаний превысит работу выхода, то электрон будет вырван из вещества.

Однако в рамках таких представлений невозможно понять второй и третий законы фотоэффекта . Действительно, почему кинетическая энергия выбитых электронов не зависит от интенсивности излучения? Ведь чем больше интенсивность, тем больше напряжённость электрического поля в электромагнитной волне, тем больше сила, действующая на электрон, тем больше энергия его колебаний и с тем большей кинетической энергией электрон вылетит из катода. Логично? Логично. Но эксперимент показывает иное.

Далее, откуда берётся красная граница фотоэффекта? Чем «провинились» низкие частоты? Казалось бы, с ростом интенсивности света растёт и сила, действующая на электроны; поэтому даже при низкой частоте света электрон рано или поздно будет вырван из вещества - когда интенсивность достигнет достаточно большого значения. Однако красная граница ставит жёсткий запрет на вылет электронов при низких частотах падающего излучения.

Кроме того, неясна безынерционность фотоэффекта. Именно, при освещении катода излучением сколь угодно слабой интенсивности (с частотой выше красной границы) фотоэффект начинается мгновенно - в момент включения освещения. Между тем, казалось бы, электронам требуется некоторое время для «расшатывания» связей, удерживающих их в веществе, и это время «раскачки» должно быть тем больше, чем слабее падающий свет. Аналогия такая: чем слабее вы толкаете качели, тем дольше придётся их раскачивать до заданной амплитуды.

Выглядит опять-таки логично, но опыт - единственный критерий истины в физике! - этим доводам противоречит.

Так на рубеже XIX и XX столетий в физике возникла тупиковая ситуация: электродинамика, предсказавшая существование электромагнитных волн и великолепно работающая в диапазоне радиоволн, отказалась объяснять явление фотоэффекта.

Выход из этого тупика был найден Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он нашёл простое уравнение, описывающее фотоэффект. Все три закона фотоэффекта оказались следствиями уравнения Эйнштейна.

Главная заслуга Эйнштейна состояла в отказе от попыток истолковать фотоэффект с позиций классической электродинамики. Эйнштейн привлёк к делу смелую гипотезу о квантах, высказанную Максом Планком пятью годами ранее.

Гипотеза Планка о квантах

Классическая электродинамика отказалась работать не только в области фотоэффекта. Она также дала серьёзный сбой, когда её попытались использовать для описания излучения нагретого тела (так называемого теплового излучения).

Суть проблемы состояла в том, что простая и естественная электродинамическая модель теплового излучения приводила к бессмысленному выводу: любое нагретое тело, непрерывно излучая, должно постепенно потерять всю свою энергию и остыть до абсолютного нуля. Как мы прекрасно знаем, ничего подобного не наблюдается.

В ходе решения этой проблемы Макс Планк высказал свою знаменитую гипотезу.

Гипотеза о квантах . Электромагнитная энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными неделимыми порциями - квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения :

(2)

Cоотношение (2) называется формулой Планка , а коэффициент пропорциональности - постоянной Планка .

Принятие этой гипотезы позволило Планку построить теорию теплового излучения, прекрасно согласующуюся с экспериментом. Располагая известными из опыта спектрами теплового излучения, Планк вычислил значение своей постоянной:

Дж·с. (3)

Успешность гипотезы Планка наводила на мысль, что законы классической физики неприменимы к малым частицам вроде атомов или электронов, а также к явлениям взаимодействия света и вещества. Подтверждением данной мысли как раз и послужило явление фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Гипотеза Планка говорила о дискретности излучения и поглощения электромагнитных волн, то есть о прерывистом характере взаимодействия света с веществом. При этом Планк считал, что распространение света - это непрерывный процесс, происходящий в полном соответствии с законами классической электродинамики.

Эйнштейн пошёл ещё дальше: он предположил, что свет в принципе обладает прерывистой структурой: не только излучение и поглощение, но также и распространение света происходит отдельными порциями - квантами, обладающими энергией .

Планк рассматривал свою гипотезу лишь как математический трюк и не решился опровергнуть электродинамику применительно к микромиру. Физической реальностью кванты стали благодаря Эйнштейну.

Кванты электромагнитного излучения (в частности, кванты света) стали впоследствии называться фотонами . Таким образом, свет состоит из особых частиц - фотонов, движущихся в вакууме со скоростью .

Каждый фотон монохроматического света, имеющего частоту , несёт энергию .

Фотоны могут обмениваться энергией и импульсом с частицами вещества (об импульсе фотона речь пойдёт в следующем листке); в таком случае мы говорим о столкновении фотона и частицы. В частности, происходит столкновение фотонов с электронами металла катода.

Поглощение света - это поглощение фотонов, то есть неупругое столкновение фотонов с частицами (атомами, электронами). Поглощаясь при столкновении с электроном, фотон передаёт ему свою энергию. В результате электрон получает кинетическую энергию мгновенно, а не постепенно, и именно этим объясняется безынерционность фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта есть не что иное, как закон сохранения энергии. На что идёт энергия фотона ? при его неупругом столкновении с электроном? Она расходуется на совершение работы выхода по извлечению электрона из вещества и на придание электрону кинетической энергии :

(4)

Слагаемое оказывается максимальной кинетической энергией фотоэлектронов. Почему максимальной? Этот вопрос требует небольшого пояснения.

Электроны в металле могут быть свободными и связанными. Свободные электроны «гуляют» по всему металлу, связанные электроны «сидят» внутри своих атомов. Кроме того, электрон может находиться как вблизи поверхности металла, так и в его глубине.

Ясно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона получится в том случае, когда фотон попадёт на свободный электрон в поверхностном слое металла - тогда для выбивания электрона достаточно одной лишь работы выхода.

Во всех других случаях придётся затрачивать дополнительную энергию - на вырывание связанного электрона из атома или на «протаскивание» глубинного электрона к поверхности.

Эти лишние затраты приведут к тому, что кинетическая энергия вылетевшего электрона окажется меньше.

Замечательное по простоте и физической ясности уравнение (4) содержит в себе всю теорию фотоэффекта. Давайте посмотрим, какое объяснение получают законы фотоэффекта с точки зрения уравнения Эйнштейна.

1. Число выбиваемых электронов пропорционально числу поглощённых фотонов. С увеличением интенсивности света количество фотонов, падающих на катод за секунду, возрастает.

Стало быть, пропорционально возрастает число поглощённых фотонов и, соответственно, число выбитых за секунду электронов.

2. Выразим из формулы (4) кинетическую энергию:

Действительно, кинетическая энергия выбитых электронов линейно растёт с частотой и не зависит от интенсивности света.

Зависимость кинетической энергии от частоты имеет вид уравнения прямой, проходящей через точку . Этим полностью объясняется ход графика на рис. 3 .

3. Для того, чтобы начался фотоэффект, энергии фотона должно хватить как минимум на совершение работы выхода: . Наименьшая частота , определяемая равенством

как раз и будет красной границей фотоэффекта. Как видим, красная граница фотоэффекта определяется только работой выхода, т.е. зависит лишь от вещества облучаемой поверхности катода.

Если , то фотоэффекта не будет - сколько бы фотонов за секунду не падало на катод. Следовательно, интенсивность света роли не играет; главное - хватает ли отдельному фотону энергии, чтобы выбить электрон.

Уравнение Эйнштейна (4) даёт возможность экспериментального нахождения постоянной Планка. Для этого надо предварительно определить частоту излучения и работу выхода материала катода, а также измерить кинетическую энергию фотоэлектронов.

В ходе таких опытов было получено значение , в точности совпадающее с (3) . Такое совпадение результатов двух независимых экспериментов - на основе спектров теплового излучения и уравнения Эйнштейна для фотоэффекта - означало, что обнаружены совершенно новые «правила игры», по которым происходит взаимодействие света и вещества. В этой области классическая физика в лице механики Ньютона и электродинамики Максвелла уступает место квантовой физике - теории микромира, построение которой продолжается и сегодня.

Демонстрирует простой опыт. Если отрицательно заряженную цинковую пластинку, соединённую с электроскопом (прибором, показывающим наличие электрического заряда), осветить светом ультрафиолетовой лампы, то очень быстро стрелка электроскопа перейдёт в нулевое состояние. Это говорит о том, что заряд исчез с поверхности пластины. Если такой же опыт проделать с положительно заряженной пластиной, стрелка электроскопа не отклонится вовсе. Этот опыт был впервые проведен в 1888 г. русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым .

Александр Григорьевич Столетов

Что же происходит с веществом, когда на него падает свет?

Мы знаем, что свет - это электромагнитное излучение, поток квантовых частиц - фотонов . Когда электромагнитное излучение падает на металл, часть его отражается от поверхности, а часть поглощается поверхностным слоем. При поглощении фотон отдаёт электрону свою энергию. Получив эту энергию, электрон совершает работу и покидает поверхность металла. И пластинка, и электрон имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкиваются, и электрон вылетает с поверхности.

Если же пластинка заряжена положительно, отрицательный электрон, выбитый с поверхности, снова притянется ею и не покинет её поверхность.

История открытия

Явление фотоэффекта было открыто в начале XIX века.

В 1839 г. французский учёный Александр Эдмонд Беккерель наблюдал фотогальванический эффект на границе металлического электрода и жидкости (электролите).

Александр Эдмонд Беккерель

В 1873 г. английский инженер-электрик Смит Уиллоуби обнаружил, что если воздействовать на селен электромагнитным излучением, то его электропроводность меняется.

Проводя опыты по исследованию электромагнитных волн в 1887 г., немецкий физик Генрих Герц заметил, что заряженный конденсатор разряжается гораздо быстрее, если осветить его пластины ультрафиолетовым излучением.

Генрих Герц

В 1888 г. германский физик-экспериментатор Вильгельм Гальвакс обнаружил, что при облучении металла коротковолновым ультрафиолетовым излучением металл теряет отрицательный заряд, то есть наблюдается явление фотоэффекта.

Огромный вклад в изучение фотоэффекта внёс русский физик Александр Григорьевич Столетов, проводивший детальные опыты по изучению фотоэффекта в 1888-1890 гг. Для этого он сконструировал специальный прибор, состоявший из двух параллельных дисков. Один из этих дисков, катод , сделанный из металла, находился внутри стеклянного корпуса. Другой диск, анод , представлял собой металлическую сетку, нанесённую на изготовленный из кварцевого стекла торец корпуса. Кварцевое стекло было выбрано учёным не случайно. Дело в том, что оно пропускает все виды световых волн, включая ультрафиолетовое излучение. Обычное стекло ультрафиолетовое излучение задерживает. Из корпуса откачивался воздух. К каждому из дисков подводилось напряжение: к катоду отрицательное, к аноду положительное.

Опыт Столетова

Во время опытов учёный освещал катод через стекло красным, зелёным, синим и ультрафиолетовым светом. Величина тока регистрировалась гальванометром, в котором основным элементом было зеркало. В зависимости от величины фототока, зеркало отклонялось на разный угол. Наибольший эффект оказывали ультрафиолетовые лучи. И чем больше их было в спектре, тем сильнее оказывалось воздействие света.

Столетов обнаружил, что под действием света освобождаются только отрицательные заряды.

Катод изготавливали из различных металлов. Наиболее чувствительными к свету оказались такие металлы, как алюминий, медь, цинк, серебро, никель.

В 1898 г. было установлено, что освобождаемые при фотоэффекте отрицательные заряды являются электронами.

А в 1905 г. Альбер Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, как частный случай закона сохранения и превращения энергии.

Внешний фотоэффект

Внешний фотоэффект

Процесс выхода электронов из вещества под действием электромагнитного излучения называют внешним фотоэффектом , или фотоэлектронной эмиссией . Электроны, вылетающие с поверхности, называются фотоэлектронами . Соответственно, электрический ток, который образуется при их упорядоченном движении, называют фототоком .

Первый закон фотоэффекта

Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока . Чем выше интенсивность излучения, тем большее количество электронов будет выбито из катода за 1 с.

Интенсивность светового потока пропорциональна числу фотонов. С увеличением числа фотонов увеличивается число электронов, покидающих поверхность металла и создающих фототок. Следовательно, увеличивается сила тока.

Второй закон фотоэффекта

Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности .

Энергия, которой обладает падающий на поверхность фотон, равна:

Е = h·ν ,где ν - частота падающего фотона; h - постоянная Планка.

Получив энергию Е , электрон совершает работу выхода φ . Остальная часть энергии - это кинетическая энергия фотоэлектрона.

Из закона сохранения энергии вытекает равенство:

h·ν=φ + W e , где W e - максимальная кинетическая энергия электрона в момент вылета из металла.

h·ν=φ + mv 2 /2

Третий закон фотоэффекта

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν min (или максимальная длина волны λ max ), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν˂ ν min , то фотоэффект уже не происходит.

Фотоэффект проявляется, начиная с определённой частоты света ν min . При этой частоте, называемой «красной» границей фотоэффекта , начинается испускание электронов.

h· ν min = φ .

Если частота фотона ниже ν min , его энергии будет недостаточно, чтобы «выбить» электрон из металла.

Внутренний фотоэффект

Если под воздействием излучения электроны теряют связь со своми атомами, но не покидают твёрдые и жидкие полупроводники и диэлектрики, а остаются внутри них как свободные электроны, то такой фотоэффект называется внутренним. В результате происходит перераспределение электронов по энергетическим состояниям. Изменяется концентрация носителей зарядов и возникает фотопроводимость (увеличение проводимости под воздействием света).

К внутреннему фотоэффекту относят и вентильный фотоэффект , или фотоэффект в запирающем слое . Этот фотоэффект возникает, когда под воздействием света электроны покидают поверхность тела и переходят в другое, контактирующее тело - полупроводник или электролит.

Применение фотоэффекта

Все устройства, принцип действия которых основан на фотоэффекте, называются фотоэлементами . Первым в мире фотоэлементом стал прибор Столетова, созданный им для проведения опытов по изучению фотоэффекта.

Фотоэлементы широко используются в самых различных устройствах в автоматике и телемеханике. Без фотоэлементов невозможно управление станками с числовым программным управлением (ЧПУ), которые могут создавать детали по чертежам без участия человека. С их помощью считывается звук с киноплёнки. Они входят в состав различных контролирующих устройств, помогают остановить и заблокировать устройство в нужный момент. С помощью фотоэлементов уличное освещение включается с наступлением темноты и отключается на рассвете. Они помогают управлять турникетами в метро и маяками на суше, опускают шлагбаум при приближении поезда к переезду. Их используют в телескопах и солнечных батареях.

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется явление испускания электронов из вещества под действием электромагнитного излучения и, в частности, света. (При внутреннем фотоэффекте при поглощении падающего излучения электроны переходят на более высокие энергетические уровни, оставаясь в пределах вещества).

Простейшая схема для наблюдения фотоэффекта представлена на рис.1.

Свет через окошко попадает внутрь вакуумной стеклянной колбы и падает на металлическую пластинку, играющую роль катода (фотокатода).

Вследствие фотоэффекта с катода будут испускаться электроны (фотоэлектроны), которые будут под действием электрического поля, создаваемого между катодом и анодом, двигаться к аноду. Электроны достигают анода, и в цепи появляется электрический ток I ф , который регистрируется гальванометром G . Напряжение U между катодом и анодом регулируется с помощью потенциометра R и измеряется вольтметром V . С помощью этой схемы были сняты вольтамперные характеристики фотоэффекта (ВАХ) – зависимости силы фототока от напряжения между катодом и анодом. Две ВАХ для двух значений освещенности фотокатода ипоказаны на рисунке 2.

Из кривых мы видим, что при нулевом напряжении фототок не равен нулю. Это значит, что при U =0 некоторая часть вырванных фотоэлектронов долетает до анода. Чтобы уменьшить фототок до нуля необходимо приложить между катодом и анодом задерживающую разность потенциалов (-U З ). При увеличении освещенности E фотокатода сила фототока будет увеличиваться, вольтамперная характеристика идет выше предыдущей. При некотором напряжении, равном U нас (напряжение насыщения), сила фототока достигает насыщения - I нас . Это значит, что при таком напряжении между катодом и анодом все вылетевшие с катода электроны достигнут анода. Из анализа вольтамперных характеристик были установлены следующие экспериментальные закономерности фотоэффекта (законы Столетова).

1. Сила фототока насыщения пропорциональна освещенности фотокатода (или интенсивности падающего света) при частоте света v = const.

=
, (2)

где γ-коэффициент пропорциональности.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов (или максимальная кинетическая энергия) не зависит от интенсивности падающего света и увеличивается с увеличением частоты света.

3. Для каждого вещества существует минимальная частота ν 0 (или максимальная длина волны λ 0 ), при которой ещё происходит вырывание электронов. Если частота света будет меньше ν 0 , то фотоэффект прекратится. Эта частота называется “красной границей” фотоэффекта .

Таким образом, для наблюдения фотоэффекта необходимо выполнения условия: νν 0 (λλ 0).

Наблюдаемые в опыте закономерности фотоэффекта оказалось невозможно объяснить с позиции классических или волновых представлений. Например, независимость скорости вылета фотоэлектронов от интенсивности света, поскольку с увеличением интенсивности падающей световой волны электронам должна бы передаваться бóльшая энергия. Невозможно также объяснить безинерционность фотоэффекта и наличие “красной границы”.

Качественное непротиворечивое объяснение фотоэффекта было дано A.Эйнштейном в 1905 году на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. В соответствии с этой теорией кванты света (фотоны) ведут себя подобно материальным частицам. Падающее монохроматическое излучение рассматривается как поток световых квантов - фотонов с энергией E =hν . Поглощение веществом света сводится к тому, что один фотон передаёт полностью свою энергию одному электрону вещества. Если эта энергия фотона достаточна, чтобы освободить электрон от удерживающих его внутри вещества связей, то происходит эмиссия электрона. Следовательно, число фотоэлектронов должно быть пропорционально числу поглощённых фотонов (что согласуется с первым законом Столетова). Энергия фотона hν увеличивается с частотой ν и, следовательно, энергия фотоэлектронов также должна увеличиваться с частотой падающего света, что согласуется также с опытом. Полученная электроном вещества энергия фотона перераспределяется следующим образом. Часть этой энергии, называемой работой выхода А , затрачивается на то, чтобы освободить электрон от удерживающих его внутри металла связей. Если фотон поглощается электроном не у самой поверхности металла, а на некоторой глубине, то часть энергии фотона, равная Е потерь , может быть рассеяна вследствие случайных столкновений электрона в веществе. Остаток энергии образует кинетическую энергию К электрона, покинувшего вещество. Таким образом

hν= А + Е потерь + К (3)

Для тех электронов, у которых Е потерь = 0, кинетическая энергия будет максимально возможной при А = const для данного металла. Для таких электронов равенство (3) перепишем в виде

(4)

Это выражение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно выполняет роль закона сохранения энергии для фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна следуют рассмотренные выше экспериментальные законы фотоэффекта. Например, из формулы (4) непосредственно вытекает второй закон Столетова

= hν – А (A= const).

Из уравнения (4) следует, что если уменьшать частоту падающего света v , то будет уменьшаться энергия фотона
, соответственно, будет уменьшаться кинетическая энергия фотоэлектронов при A = const для данного металла. Тогда при некотором значении частоты света v = кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю, и фотоэффект прекратится. Тогда из уравнения (4) следует

h= A + 0,

= (5)

То есть, существует некоторая граничная частота («красная граница») падающего света, ниже которой свет не вызывает фотоэффект. Этот вывод находится в соответствии с эмпирическим третьим законом фотоэффекта.

Выражение (5) определяет связь красной границы фотоэффекта с работой выхода. Работа выхода электронов из металла в сильной степени зависит от состояния поверхности металла, например, от находящихся на поверхности оксидов и адсорбированных газов. Поэтому долгое время не удавалось проверить с достаточной точностью формулу Эйнштейна.

Еще одной важной характеристикой фотоэффекта является спектральная чувствительность фотокатода, которая показывает зависимость чувствительности катода
от длины волныизлучения, падающего на фотокатод. Величиной, пропорциональной чувствительности фотокатода, является фототок. Таким образом, на практике для получения спектральной характеристики можно снимать зависимость фототока от длины волны (или от частоты) падающего на фотоэлемент (или фотокатод) монохроматического излучения. При больших длинах волн, то есть при малых энергиях квантов света, энергия, получаемая электроном, оказывается недостаточной для преодоления работы выхода и эмиссии электронов в вакуум. Поэтому для каждого металла существует его пороговая длина волны (наибольшая λ 0 =λ max) или пороговая частота (наименьшая ν 0 =ν max), которую мы выше определили как «красную границу» фотоэффекта. При малых длинах волн возрастает показатель поглощения. Поэтому глубина проникновения квантов света в металл уменьшается, и вероятность передачи энергии кванта света свободному электрону металла уменьшается. Таким образом, спектральная характеристика имеет вид кривой с максимумом, со спадом при малых длинах волн (рис.3).

Различные вещества имеют разную работу выхода, поэтому максимум спектральной характеристики фотокатода может находиться в той или иной части электромагнитного спектра.

Таким образом, фотоэлемент, иcпользуемый в лабораторной работе, является селективным фотоприёмником, то есть он “чувствует” излучение в строго определённой области спектра от λ 1 до λ 2 .

2.1. Цель работы
Практическое ознакомление с закономерностями внешнего фотоэффекта; экспериментальное определение работы выхода для сурьмяно-цезиевого фотокатода, а также постоянной Планка.

Изучение закономерностей фотоэффекта привело физическую науку к понятию световых квантов и сыграло выдающуюся роль в становлении современных представлений о природе.

2.2.2. Вакуумный фотоэлемент
Это один из самых распространенных приборов, использующих внешний фотоэффект. Он представляет собой откаченный стеклянный баллон, часть внутренней поверхности которого покрыта металлом и является катодом К. Металлическое кольцо А служит анодом (см. рис. 2. 1).

Электрическая цепь на рис. 2. 1 разомкнута; ток в ней появится, только если из катода будут вырваны (например, светом) электроны, которые затем достигнут анода. Сила фототока зависит от числа вылетающих из катода электронов, от их начальной скорости, а также от разности потенциалов между катодом и анодом. Зависимость силы фототока от анодного напряжения (при постоянной освещенности катода) называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента (см. рис. 2. 2).

2.2.3. Закономерности фотоэффекта
Даже при нулевом анодном напряжении U некоторые из фотоэлектронов долетают до анода, поэтому I ≠ 0 при U = 0. С увеличением U анода достигают все большее число электронов, и сила фототока постепенно возрастает. Наконец, при некотором напряжении (называемым напряжением насыщения UН) все фотоэлектроны долетают до анода, и в дальнейшем увеличение напряжения не приводит к увеличению силы тока. Достигнутое значение силы фототока называется током насыщения IН. По значению силы тока насыщения можно судить о количестве электронов n , испускаемых катодом за единицу времени:

Если анодное напряжение отрицательно, то оно будет тормозить фотоэлектроны, и сила тока уменьшится.

При некотором значении напряжения U = U З < 0 (которое называется запирающим) даже самые быстрые фотоэлектроны не в силах достигнуть анода, и ток прекращается. При этом вся начальная кинетическая энергия электронов расходуется на совершение работы против сил задерживающего электрического поля:

E kmax = e*U З

(E kmax – начальная кинетическая энергия самых быстрых фотоэлектронов, покидающих катод при данных условиях).

На рис. 2. 2 приведены несколько ВАХ одного и того же фотоэлемента, полученные при облучении катода монохроматическим светом одной и той же частоты ω, но разной интенсивности (а) или одной и той же интенсивности I, но разных частот (б).

Экспериментально установлены следующие закономерности фотоэффекта .

1. При фиксированной частоте света сила фототока насыщения (и число фотоэлектронов вырываемых из катода за единицу времени) прямо пропорционально интенсивности света).

2. Величина запирающего напряжения (и максимальная скорость фотоэлектронов) определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света ω0, при которой фотоэффект еще возможен.

2.2.4. Недостаточность классических представлений
К моменту открытия фотоэффекта была общепризнана волновая теория света, берущая начало из опытов Френеля, Юнга и Араго по дифракции и интерференции света. Из уравнений Максвелла следовало существование электромагнитных волн, свойства которых (экспериментально изученных Герцем) оказались тождественны свойствам света, а также инфракрасного и ультрафиолетового излучений. Были измерены длины световых волн (0,4 – 0,7 мкм).

С помощью представлений о свете как об электромагнитных волнах успешно объяснены (не только качественно, но и количественно) закономерности отражения, преломления, поляризации света. Естественным было стремление объяснить с тех же позиций и фотоэффект.

Металлы отличаются от других веществ наличием большого числа "свободных" электронов (не связанных с каким-либо атомом) проводимости. Резонно предположить, что именно эти электроны и будут вырываться электрическим полем световой (электромагнитной) волны. Тогда первый из указанных в п.2.2.3 законов фотоэффекта объясняется элементарно: чем больше амплитуда световой волны, тем большее количество электронов может она вырвать с поверхности металла.

Найдем далее зависимость скорости и кинетической энергии приобретаемой электроном, от параметров световой волны. Для этого проинтегрируем уравнение движения "свободного" электрона проводимости в переменном электрическом поле волны:

m e *v" = cos(ω*t)


где Е – амплитуда, ω = 2πν − циклическая частота света. Получим

m e *v = (e*E) / ω * sin(ω*t)

E k = m e *v 2 /2 = 1/2*m e * (e*E / ω) 2 * sin 2 (ω*t)

Поскольку интенсивность света определяется квадратом амплитуды электрического вектора Е, то можно сказать, что максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов: во-первых, прямо пропорциональна интенсивности света; во-вторых, обратно пропорциональна квадрату частоты света.

Однако оба этих предсказания никак не подтверждаются наблюдениями!

Даже если предположить, что свет вырывает из металла не электроны проводимости, а электроны, связанные с атомами квазиупругими силами, то решение уравнения движения такого электрона дало бы резонансную зависимость Е kmax от ω (острый пик при ω = ω 0 – частота собственных колебаний электронов в атомах) и по-прежнему пропорциональность меду интенсивностью света и Е kmax .
Итак, классические представления явно не способы объяснить всех наблюдаемых закономерностей фотоэффекта!

2.2.5. Квантовое истолкование законов фотоэффекта

В 1905 г. Эйнштейн показал, что закономерности излучения и поглощения света легко могут быть объяснены в предположении, что энергия света излучается и поглощается дискретными порциями (квантами); при этом величина кванта энергии света прямо пропорциональна его частоте: ε = hν (коэффициент h называется постоянной Планка).

В соответствии с квантовой теорией (см., например , ) энергия электрона в твердом теле также принимает дискретный ряд значений. Эти значения (энергетические уровни) группируются в полосы, или разрешенные зоны разделенные запрещенными зонами.

Энергетическая зона, заполненная электронами лишь частично, называется зоной проводимости ; у зон, лежащих ниже неё, заполнены все уровни.

Находящиеся в зоне проводимости электроны легко могут переходить на более высокие энергетические уровни этой зоны, иначе говоря – увеличивать свою кинетическую энергию (ускоряться) за счет внешних воздействий. Наивысший из энергетических уровней, занятых электронами при Т = 0 К, называется уровнем Ферми .

При обычных условиях все электроны в металле имеют отрицательные значения полной энергии; за нулевой уровень энергии принимается энергия покоящегося электрона, находящегося вне металла. Наименьшая работа, необходимая для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода А 0 . Фактически работа выхода – это энергия, которую нужно затратить, чтобы вырвать из металла (при Т = 0 К) электрон, имеющий энергию Ферми и движущийся к поверхности (а не вглубь) металла. Для вырывания любого другого электрона понадобится большая энергия! Работу выхода можно также трактовать как глубину потенциальной ямы, в которой находится электроны металла. Она определяется химической природой вещества и в меньшей степени – условиями, в которых оно находится, например, температурой.

Если энергия каждого кванта света (фотона) меньше работы выхода, то электроны, которым передается их энергия, не смогут покинуть металл. Минимальная частота света, которая еще может вызывать фотоэффект, определяется соотношением:

ν 0 = A 0 / h

и называется красной границей фотоэффекта . (Здесь "красная" является синонимом слов "длинноволновая" или "низкочастотная"; красная граница может лежать и в ультрафиолетовой области спектра!)

Итак, если поверхность металла освещена светом с частотой ν > ν 0 , то максимальная кинетическая энергия, которую могут иметь фотоэлектроны, определяется из соотношения

Е kmax = h*ν − A 0

называемого уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

В соответствии с уравнением Эйнштейна и формулой (2.2) запирающее напряжение должно зависеть от частоты линейно:

е*U З = hν − A 0


Этот вывод (одно из предсказаний квантовой теории) находится в прекрасном соответствии с опытом. Более того, измерив значение запирающего напряжения для нескольких частот света, мы можем с помощью уравнения (2.8) найти работу выхода материала фотокатода и постоянную Планка.


2.3. Описание лабораторной установки
В лабораторной установке, показанной на рис. 2.3, в качестве источника света используется ртутная газоразрядная лампа ДРШ, излучающая линейчатый спектр. (Длины волн спектральных линий ртути хорошо известны и занесены в таблицы, что избавляет от необходимости их измерять.)

С помощью монохроматора из излучения ртутной лампы выделяется узкие пучки монохроматического света, которые поочередно направляют на фотоэлемент с сурьмяно-цезиевым катодом.

Электрическая схема включения фотоэлемента показана на рис. 2.4. С помощью источника постоянного тока ИП, смонтированного в основании монохроматора, и двухполюсного переключателя S на аноде фотоэлемента Ф можно создавать как положительный (ускоряющее поле), так и отрицательный потенциал (тормозящее поле). Напряжение между катодом и анодом регулируется потенциометром R; для измерения напряжения служит вольтметр V. Сила тока в цепи фотоэлемента измеряется амперметром А.

2.4. Методика проведения эксперимента и обработка результатов
2.4.1. Методика эксперимента
2.4.1.1. Измеряемые и вычисляемые величины

Для определения красной границы фотоэффекта и постоянной Планка измеряются значения запирающего напряжения для нескольких наиболее ярких спектральных линий, двигаясь от фиолетовой до желто-зеленой области спектра. Для этих же линий снимаются вольт-амперные характеристики в интервале напряжения от 0 до 3 В.

По окончании измерений строится график зависимости U З (ν); по графику определяются значения h и ν 0 . Вычисляются значения λ 0 (нм), а также А 0 (Дж, эВ).


2.4.1.2. Темновой ток фотоэлемента и точность измерений
В реальном фотоэлементе даже при нулевой освещенности катода течет некоторый (очень небольшой) темновой ток I Т, обусловленный отчасти термоэлектронной эмиссией с катода, отчасти разностью работ выхода для катода и анода, отчасти просто утечкой тока между выводами фотоэлемента.

При разности потенциалов между катодом и анодом, близкой к U З, сила тока в цепи анода того же порядка, что и темновой ток. Однако величина темнового тока зависит от множества параметров и в принципе может меняться в ходе опыта.

Из сказанного ясно, что способ экспериментального определения U З как напряжения, при котором ток на выходе фотоэлемента равен нулю (или даже предварительно измеренному значению I Т) не вполне надежен. Для получения более достоверного значения U З следует увеличивать (по модулю) отрицательное анодное напряжение до тех пор, пока не прекратит уменьшаться анодный ток фотоэлемента.

При положительных значениях анодного напряжения темновой ток составляет незначительную часть полного тока. Поэтому при снятии вольт-амперной характеристики в области U > 0 учет темнового тока не требуется.


2.4.2. Порядок выполнения работы
2.4.2.1. Подготовка к работе

  1. Подготовьте амперметр к работе в соответствии с инструкцией.
  2. Включите ртутную лампу 1 нажатием тумблера "ВКЛ" и "ЛАМПА ДРШ" на блоке питания (если лампа не загорается, нажмите черную кнопку)
  3. При правильной настройке свет ртутной лампы должен быть сфокусирован в центре крышечки 2, закрывающей объектив монохроматора. Если это не так, наведите световое пятно на центр крышки 2, поворачивая винт 8 конденсорной линзы.
  4. Снимите крышку 2 с объектива монохроматора. Рукоятка затвора 4 должна стоять в положении "ОТКР".
  5. Микровинотом 3 установите ширину входной щели 0,15 мм.


2.4.2.2. Измерение запирающего напряжения

  1. Глядя в окуляр монохроматора, поворотом барабана 5 совместите яркую фиолетовую линию (λ = 404,7 нм) с указателем (темная стрелка на фоне спектра). При необходимости регулируйте резкость вращением окулярного кольца.
  2. Замените окулярную головку 7 на головку с фотоэлементом 6.
  3. Микровинтом 3 установите ширину входной щели 2 мм.
  4. Ручкой "УСТАНОВКА 0" амперметра выведите его стрелку на середину шкалы.
  5. Переключатель полярности блока питания фотоэлемента поставьте в положение "−".
  6. Вращая ручку потенциометра R, увеличивайте анодное напряжение до тех пор, пока стрелка амперметра не остановится.
  7. Запишите значения напряжения, при котором стрелка остановилась (запирающее напряжение) в таблицу 2.2.
  8. Проделайте измерения по пунктам 9-12 еще два раза.
  9. Ручкой "УСТАНОВКА 0" выставьте стрелку амперметра на нулевое деление.

2.4.2.3. Снятие вольт-амперных характеристик
  1. Переключатель полярности блока питания поставьте в положение "+".
  2. Потенциометром R установите анодное напряжение равное 0.
  3. Измерьте силу фототока для значений ускоряющего напряжения от 0 до 3 В через 0,6 В. Запишите ее в таблицу 2.3.
Внимание! Измерения по пункте 3 необходимо проделать также для синей (λ = 435,6 нм) и голубой (481,6 нм) линий спектра ртути.

Однократно измеряемые величины:

Таблица 2.1



2.4.3. Обработка результатов измерений

  1. Вычислите значения частоты ν = с/λ, соответствующие длинам волн исследуемых спектральных линий. Результаты занесите в таблицу 2.2.
  2. На миллиметровой бумаге постройте координатные оси ν и UЗ.
  3. Нанесите на график частóты исследованных спектральных линий и измеренные для этих линий значения запирающего напряжения.
  4. Через экспериментальные точки проведите прямую линию. Определите координаты точек ее пересечения с осями ν и U З (см. рис. 2.5).
  5. По полученным значениям ν 0 и U * вычислите постоянную Планка h = e*U * = eU * / ν 0 и работу выхода A 0 = h*ν 0 . Занесите все значения в таблицу 2.1.

2.5 Контрольные вопросы

  1. Расскажите, как экспериментально определить число фотоэлектронов, покидающих катод за единицу времени, и их начальную кинетическую энергию.
  2. Поясните ход вольт-амперных характеристик фотоэлемента. Пользуясь этими графиками, сформулируйте основные законы фотоэффекта.
  3. Почему электроны вылетают из металла с разными скоростями даже при освещении его монохроматическим светом?
  4. Почему при попытке классического истолкования фотоэффекта мы рассматривали действие на электрон лишь электрического, но не магнитного поля световой волны?
  5. Объясните, в чем состояла новизна эйнштейновской теории фотоэффекта.
  6. Дайте определение работы выхода: сперва в терминах классической, а затем – квантовой физики.
  7. Из опыта известно, что количество выбитых из металла фотоэлектронов в несколько раз меньше фотонов упавших на поверхность катода. Почему? Подумайте, будет ли ток насыщения фотоэлемента зависеть от частоты света, падающего на фотокатод.
  8. Можно ли наблюдая фотоэффект для света с длиной волны λ > λ0, если создать между катодом и анодом не тормозящую, а ускоряющую разность потенциалов?
  9. Работа выхода для металлов составляет обычно несколько электронвольт. Почему же для вырывания электронов электрическим полем из отрицательно заряженного металлического электрода требуется разность потенциалов в сотни тысяч вольт? (Это явление называется холодной, или автоэлектронной эмиссией)
  1. Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в атомную физику. М.: Наука, 1969.
  2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. М.: Наука, 1982.
  3. Детлаф А.А., Яворский В.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1989.
Автор методики: Подопригора А.Г.; ВолгГТУ

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового). Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное освобождение), то фотоэффект называется внешним (открыт в 1887 г. Герцем и подробно исследован в 1888 г. Л. Г. Столетовым). Если же электроны теряют связь только со «своими» атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества в качестве «свободных электронов» (частичное освобождение), увеличивая тем самым электропроводность вещества, то фотоэффект называется внутренним (открыт в 1873 г. американским физиком У. Смитом).

Внешний фотоэффект наблюдается у металлов. Если, например, цинковую пластинку, соединенную с электроскопом и заряженную отрицательно, осветить ультрафиолетовыми лучами, то электроскоп быстро разрядится; в случае положительно заряженной пластинки разрядки не происходит. Отсюда следует, что свет вырывает из металла отрицательно заряженные частицы; определение величины их заряда (выполненное в 1898 г. Дж. Дж. Томсоном) показало, что эти частицы являются электронами.

Принципиальная измерительная схема, с помощью которой исследовался внешний фотоэффект, изображена на рис. 368.

Отрицательный полюс батареи присоединен к металлической пластинке К (катод), положительный - к вспомогательному электроду а (анод). Оба электрода помещены в эвакуированный сосуд, имеющий кварцевое окно F (прозрачное для оптического излучения). Поскольку электрическая цепь оказывается разомкнутой, ток в ней отсутствует. При освещении катода К свет вырывает из него электроны (фотоэлектроны), устремляющиеся к аноду; в цепи появляется ток (фототок).

Схема дает возможность измерять силу фототока (гальванометром и скорость фотоэлектронов при различных значениях напряжения между катодом и анодом и при различных условиях освещения катода.

Экспериментальные исследования, выполненные Столетовым, а также другими учеными, привели к установлению следующих основных законов внешнего фотоэффекта.

1. Фототок насыщения I (т. е. максимальное число электронов. освобождаемых светом в 1 с) прямо пропорционален световому потоку Ф:

где коэффициент пропорциональности называется фоточувствительностью освещаемой поверхности (измеряется в микроамперах на люмен, сокращенно -

2. Скорость фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Независимо от интенсивности света фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света, называемой «красной границей» фотоэффекта.

Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света. Действительно, по этой теории, интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны, «раскачивающей» электрон в металле. Поэтому свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности, должен был бы вырывать электроны из металла; иначе говоря, не должно было бы существовать «красной границы» фотоэффекта. Этот вывод противоречит третьему закону фотоэффекта. Далее, чем больше интенсивность света, тем большую кинетическую энергию должен был бы получить от него электрон. Поэтому скорость фотоэлектрона должна была бы возрастать с увеличением интенсивности света; этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.

Законы внешнего фотоэффекта получают простое истолкование на основе квантовой теории света. По этой теории, величина светового потока определяется числом световых квантов (фотонов), падающих в единицу времени на поверхность металла. Каждый фотон может взаимодействовать только с одним электроном. Поэтому

максимальное число фотоэлектронов должно быть пропорционально световому потоку (первый закон фотоэффекта).

Энергия фотона поглощенная электроном, расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла (см. § 87); оставшаяся часть этой энергии представляет собой кинетическую энергию фотоэлектрона масса электрона, его скорость). Тогда, согласно закону сохранения энергии, можно написать

Эта формула, предложенная в 1905 г. Эйнштейном и подтвержденная затем многочисленными экспериментами, называется уравнением Эйнштейна.

Из уравнения Эйнштейна непосредственно видно, что скорость фотоэлектрона возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности (поскольку ни ни не зависят от интенсивности света). Этот вывод соответствует второму закону фотоэффекта.

Согласно формуле (26), с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (величина А постоянна для данного освещаемого вещества). При некоторой достаточно малой частоте (или длине волны кинетическая энергия фотоэлектрона станет равной нулю и фотоэффект прекратится (третий закон фотоэффекта). Это имеет место при т. е. в случае, когда вся энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона. Тогда

Формулы (27) определяют «красную границу» фотоэффекта. Из этих формул следует, что она зависит от величины работы выхода (от материала фотокатода).

В таблице приведены значения работы выхода А (в электрон-вольтах) и красной границы фотоэффекта (в микрометрах) для некоторых металлов.

(см. скан)

Из таблицы видно, что, например, цезиевая пленка, нанесенная на вольфрам, дает фотоэффект даже при инфракрасном облучении, у натрия фотоэффект может быть вызван только видимым и ультрафиолетовым светом, а у цинка - только ультрафиолетовым.

На внешнем фотоэффекте основан важный физико-технический прибор, называемый вакуумным фотоэлементом (он является некоторым видоизменением установки, схематически изображенной на рис. 368).

Катодом К вакуумного фотоэлемента служит слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность эвакуированного стеклянного баллона В (рис. 369; G - гальванометр); анод А выполнен в виде металлического кольца, помещенного в центральной части баллона. При освещении катода в цепи фотоэлемента возникает электрический ток, сила которого пропорциональна величине светового потока.

Большинство современных фотоэлементов имеет сурьмяно-цезиевые или кислородно-цезиевые катоды, обладающие высокой фоточувствительностью. Кисйородно-цезиевые фотоэлементы чувствительны к инфракрасному и видимому свету (чувствительность сурьмяно-цезиевые фотоэлементы чувствительны к видимому и ультрафиолетовому свету (чувствительность

В некоторых случаях для увеличения чувствительности фотоэлемента его наполняют аргоном при давлении порядка 1 Па. Фототок в таком фотоэлементе усиливается вследствие ионизации аргдна, вызванной столкновениями фотоэлектронов с атомами аргона. Фоточувствительность газонаполненных фотоэлементов составляет около

Внутренний фотоэффект наблюдается у полупроводников и в меньшей мере у диэлектриков. Схема наблюдения внутреннего фотоэффекта показана на рис. 370. Полупроводниковая пластинка присоединена последовательное гальванометром к полюсам батареи. Ток в этой цепи незначителен, поскольку полупроводник обладает большим сопротивлением. Однако при освещении пластинки ток в цепи резко возрастает. Это обусловлено тем, что свет вырывает из атомов полупроводника электроны, которые, оставаясь внутри полупроводника, увеличивают его электропроводность (уменьшают сопротивление).

Фотоэлементы, основанные на внутреннем фотоэффекте, называются полупроводниковыми фотоэлементамиили фотосопротивлениями. Для их изготовления используют селен, сернистый свинец, сернистый кадмий и некоторые другие полупроводники. Фоточувствительность полупроводниковых фотоэлементов в сотни раз превышает фоточувствительность вакуумных фотоэлементов. Некоторые фотоэлементы обладают отчетливо выраженной спектральной чувствительностью. У селенового фотоэлемента спектральная чувствительность близка к спектральной чувствительности человеческого глаза (см рис. 304, § 118).

Недостатком полупроводниковых фотоэлементов является их заметная инерционность: изменение фототока запаздывает относительно изменения освещенности фотоэлемента. Поэтому полупроводниковые

фотоэлементы непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.

На внутреннем фотоэффекте основана еще одна разновидность фотоэлемента - полупроводниковый фотоэлемент с запирающий слоем или вентильный фотоэлемент. Схема этого фотоэлемента дана на рис. 371.

Металлическая пластинка и нанесенный на нее тонкий слой полупроводника соединены внешней электрической цепью, содержащей гальванометр Как было показано (см. § 90), в зоне контакта полупроводника с металлом образуется запирающий слой Б, обладающий вентильной проводимостью: он пропускает электроны только в направлении от полупроводника к металлу. При освещении полупроводникового слоя в нем, благодаря внутреннему фотоэффекту, появляются свободные электроны. Проходя (в процессе хаотического движения) через запирающий слой в металл и не имея возможности перемещаться в обратном направлении, эти электроны образуют в металле избыточный отрицательный заряд. Полупроводник, лишенный части «своих» электронов, приобретает положительный заряд. Разность потенциалов (порядка 0,1 В), возникающая между полупроводником и металлом, создает ток в цепи фотоэлемента.

Таким образом, вентильный фотоэлемент представляет собой генератор тока, непосредственно преобразующий световую энергию в электрическую.

В качестве полупроводников в вентильном фотоэлементе используют селен, закись меди, сернистый таллий, германий, кремний. Фоточувствительность вентильных фотоэлементов составляет

Коэффициент полезного действия современных кремниевых фотоэлементов (освещаемых солнечным светом) достигает по теоретическим расчетам, его можно повысить до 22%.

Поскольку фототок пропорционален световому потоку, фотоэлементы используются в качестве фотометрических приборов. К таким приборам относятся, например, люксметр (измеритель освещенности) и фотоэлектрический экспонометр.

Фотоэлемент позволяет преобразовывать колебания светового потока в соответствующие колебания фототока, что находит широкое применение в технике звукового кино, телевидения и т. п.

Исключительно велико значение фотоэлементов для телемеханизации и автоматизации производственных процессов. В сочетании с электронным усилителем и реле фотоэлемент является неотъемлемой частью автоматических устройств, которые, реагируя на световые сигналы, управляют работой различных промышленных и сельскохозяйственных установок и транспортных механизмов.

Весьма перспективным является практическое использование вентильных фотоэлементов в качестве генераторов электроэнергии. Батареи кремниевых фотоэлементов, получившие название солнечных батарей, успешно применяются на советских космических спутниках и кораблях для питания радиоаппаратуры. Для этого общая площадь фотоэлементов должна быть достаточно большой. Например, на космическом корабле «Союз-3» площадь поверхности солнечных батарей составляла около

Когда коэффициент полезного действия солнечных батарей будет повышен до 20-22%, они, несомненно, приобретут первостепенное значение среди источников, вырабатывающих электроэнергию для производственных и бытовых нужд.