Физическое явленияе - фотоэффект

Введение
Целью данной работы является рассмотрение такого физического явления, как фотоэффект.
Впервые прямое влияние света на электричество обнаружил немецкий физик Генрих Герц во время опытов с электроискровыми вибраторами. Герц установил, что заряженный проводник, освещенный ультрафиолетовыми лучами, быстро теряет свой заряд, а электрическая искра возникает в искровом промежутке при меньшей разности потенциалов. Замеченное явление было описано Герцем в его статьях 1887-1888 годов, но осталось без объяснения, поскольку физическую природу его он не знал. Не сумели правильно объяснить действие света на заряды и немецкий физик Гальвакс, итальянский физик Риги, которые также проводили и описывали аналогичные опыты. Английский физик Лодж, который, демонстрировал в 1894 году опыты Герца в своей знаменитой лекции «Творение Герца», только предположил химическую природу явления. И это неудивительно, поскольку электрон будет открыт Джозефом Джоном Томсоном лишь в 1897 году, а без понятия об электроне объяснить фотоэффект невозможно.
Однако 26 февраля 1888 российский ученый Александр Григорьевич Столетов (1839-1896) совершил опыт, наглядно продемонстрировавший внешний фотоэффект и показал истинную природу и характер влияния света на электричество. Первые опыты со светом Столетов проводил с привычным электроскопом. Освещая электрическим дуговым разрядом цинковую пластину, заряженную отрицательно и соединенную с электроскопом, он обнаружил, что заряд быстро исчезал, тогда как положительный заряд не уничтожался.
Допустим, что при облучении светом с поверхности вылетают электроны. Тогда при освещении негативной цинковой пластинки электроны вылетают и еще дополнительно отталкиваются электрическим полем пластинки. Поэтому отрицательный заряд быстро исчезает. Другая картина наблюдается с положительным зарядом. Если электрон вылетел, то его, с одной стороны, привлекает электрическое поле пластинки, с другой, его вылет не уменьшает, а увеличивает положительный заряд пластинки.
Столетов назвал открытый эффект активно-электрическим разрядом. Электронная природа фотоэффекта была показана в 1899 году Дж. Дж. Томсоном и в 1900 году Ленардом.
1. Внешний фотоэффект
Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении внешнего фотоэффекта — явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).
Как уже было сказано, впервые влияние света на ход электрических процессов было изучено Герцем в 1887 г. Он проводил опыты с электрическим разрядником и обнаружил, что при облучении ультрафиолетовым излучением разряд происходит при значительно меньшем напряжении.
Рис. 1. Схема опыта Герца
Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А. Г. Столетовым, основные работы которого выполнены в областях: электромагнетизма, оптики, молекулярной физики и философии. Открытые им законы фотоэффекта и магнитных свойств нашли широкое применение в технике.
В 1889—1895 гг. А. Г. Столетов изучал воздействие света на металлы, используя схему, представленную на рис. 2.
Рис. 2. Схема опыта Столетова
Два электрода: катод А из исследуемого металла и анод В (в схеме Столетова — металлическая сетка, пропускающая свет) расположены в вакуумной трубке и подключены к батарее так, что с помощью сопротивления можно изменять значение и знак подаваемого на них напряжения. При облучении цинкового катода в цепи протекал ток, регистрируемый миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности:
- наиболее сильное действие оказывает ультрафиолетовое излучение;
- под действием света из катода вырываются отрицательные заряды;
- сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.
Ленард и Томсон в 1898 году измерили удельный заряд (е/m) вырываемых излучением частиц. Изучая их отклонение в электрическом и магнитном полях они определили, что е/m = 1,7·1011 Кл/кг соответствует удельному заряду электронов. Таким образом при фотоэффекте из катода вырываются электроны.
Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема для исследования внешнего фотоэффекта
Схема представляет собой экспериментальную установку для исследования вольт-амперной характеристики фотоэффекта — зависимости фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами.
Такая зависимость, соответствующая двум различным световым потокам Ф1 и Ф2, попадающим на катод (частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рис. 4. По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т

. е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока Iн — фототок насыщения — определяется таким значением U,при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода: Iн = en, где n — число электронов, испускаемых катодом в 1 с.
Из вольт-амперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего электрического поля. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U3. При
U = U3 ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью vmax, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно, учитывая связь между работой сил электростатического поля и изменением кинетической энергии выбиваемых и катода электронов (eU3 = ЕК2 — ЕК1), можно записать, что
т. е., измеряя задерживающее напряжение U3, можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.
Рис. 4. Вольт-амперные характеристики фототока для двух световых потоков (Ф1Ф2) при одинаковой частоте ν2 и двух частот (ν1 ν2) при одинаковом световом потоке Ф2
Экспериментальные результаты (рис. 4 и рис. 5) также показывают, что U3 не зависит от величины светового потока, но зависит от частоты падающего на катод света по линейному закону
U3 = аv - b,
где а и b — константы, причем коэффициент a = tgα не зависит от материала катода (наклон экспериментальных кривых 1 и 2 на рис. 5, соответствующих разным материалам катода, одинаков).
Рис. 5. Зависимость U3 от частоты и вещества катода
2. Законы внешнего фотоэффекта
При изучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов (важна чистота поверхности, поэтому измерения проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие четыре закона внешнего фотоэффекта.
Первый закон. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени (фототок насыщения) пропорционально интенсивности светового потока, падающего на катод
Iн ~ Ne ~ Ф.
Второй закон. Напряжение запирания, или максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.
Третий закон. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота ν0 света зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, ниже которой фотоэффект невозможен.
Четвертый закон. Фотоэффект практически безинерционен, т. е. фототок начинается сразу, как только на фотокатод попадает световой поток.
Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл; тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого из металла электрона должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, так как с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта. В соответствии с волновой теорией энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности свет. Свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит третьему закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, которая была установлена в ходе экспериментов. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.
3. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света
Эйнштейн, один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 г. за объяснение законов фотоэффекта, создатель общей и специальной теории относительности, общественный деятель-гуманист в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта.
Согласно Эйнштейну, свет частотой ν не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых равна
ε = hv.
Таким образом, распространение света следует рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме