http://ilyukhin.ru/articles/news.php?id=59
Информационно-образовательный портал «Физика для школьников» :: Статьи :: Конспекты уроков по физике 11 класс

Фотоэффект

Фотоэлектрический эффект, или фотоэффект, состоит в испускании электронов веществом под действием света. Фотоэффект был открыт в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта проведены в 1888 г. русским физиком А.Г. Столетовым.
 
            Установка, с помощью которой Столетов производил исследования фотоэффекта, показана на рис. 1. Сплошная пластинка К (алюминиевая, медная, цинковая, серебряная, никелевая) и тонкая сетка А закреплялись на некотором расстоянии друг против друга и соединялись с полюсами источника тока. Сплошная пластинка освещалась со стороны сетки светом. Когда она присоединялась к отрицательному полюсу источника тока, т.е. когда она являлась катодом, появлялся ток. Естественно сделать вывод, что электрическая цепь в этом опыте замыкается отрицательно заряженными частицами, вырываемыми из освещенной пластинки. В 1899 г. Ф. Леннард установил, что эти частицы являются электронами.
 
фотоэлемент
           
Поток электронов, испускаемых катодом под действием света, носит название фотоэлектрического тока, или фототока.
 
            Дальнейшие исследования фотоэффекта были осуществлены с помощью прибора, схема которого изображена на рис. 2 (такой прибор называют фотоэлементом). В откачанном сосуде имелись два электрода: катод К и анод А. Катод освещался через окошко из кварца (не из обычного стекла, т.к. стекло поглощает ультрафиолет) лучами разной длины волны, в том числе и ультрафиолетовыми. На зажимы «–» и «+» подавалось напряжение U, величину которого (а при необходимости и знак) можно было плавно менять. Возникающий фототок измерялся гальванометром.
 
            На рис. 3а приведена вольт-амперная характеристика, т.е. кривая зависимости фототока от приложенного напряжения U. Даже при напряжении, равном нулю, некоторое количество электронов достигает анода и создает небольшой фототок I0. С увеличением напряжения все большее количество электронов достигает анода – фототок растет до некоторого предела Iнас, после чего при дальнейшем увеличении напряжения остается неизменным. Предельный фототок называется фототоком насыщения. При малом напряжении вылетевшие электроны лишь частично летят к аноду, а частично возвращаются на катод. По мере увеличения напряжения, приложенного к фотоэлементу, количество достигающих анода электронов увеличивается – растет сила фототока. При достаточно большом напряжении все вылетающие из катода электроны попадают на анод и фототок достигает насыщения.
 
            Если освещаемую пластинку соединить с положительным полюсом источника тока, а сетку – с отрицательным, т.е. приложить к зажимам отрицательное напряжение, то, как видно из рис. 3а, фототок уменьшается и достигает нуля при обратном напряжении φз, которое называется задерживающим потенциалом.
 
зависимость фототока от напряжения между анодом и катодом фотоэлемента
Измерив задерживающий потенциал φз, легко определить максимальную скорость υmax фотоэлектронов. Для этого нужно приравнять работу, совершаемую над электронами силами электрического поля, максимальной кинетической энергии электронов:
e φз = m υ2max/2.                  (1) 
         На рис. 3б приведены вольт-амперные характеристики для трех значений светового потока (Ф1 < Ф2 < Ф3 ), падающего на катод. Во всех трех случаях частота излучения одна и та же. На рис. 3в приведены вольт-амперные характеристики для случая, когда варьируется частота света ν, обуславливающего фотоэффект.
 
            Описанные опыты привели к следующим результатам.
1. Сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод фотоэлемента световому потоку: Iнас = kФ, где k – коэффициент пропорциональности, который зависит от природы материала катода.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего излучения и с ее увеличением возрастает.
 
В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта объясняются, если предположить, что свет поглощается квантами (h – постоянная Планка, ν – частота излучения). Впоследствии эти кванты были названы фотонами. При проникновении в вещество фотон поглощается целиком одним из электронов. Часть поглощенной энергии электрон затрачивает на то, чтобы достигнуть поверхности вещества, часть на то, чтобы покинуть вещество. Эта энергия называется работой выхода Aвых, оставшуюся часть электрон уносит с собой в виде кинетической энергии. Электрон вылетает с максимальной скоростью υmax, если находится вблизи поверхности и энергия фотона не расходуется на то, чтобы электрон мог ее достигнуть. В этом случае имеет место соотношение
hν = m υ2max/2 + Aвых,             (2)
которое называют формулой Эйнштейна для фотоэффекта. Из формулы (2) следует, что в случае, когда hν ≤ Aвых, электрон не может покинуть вещество и фотоэффект не наблюдается. Граничная частота νкр = Aвых/h называется красной границей фотоэффекта.
 
// Гурский И.П. Элементарная физика с примерами решения задач. М.: Наука, 1984, стр.421-424 


// Анимация с сайта http://ip211.ru/data/documents/fotoeffekt.swf
(опечатка: по оси ординат сила электрического фототока измеряется в «мА», а не в «мВ»)

 


Опубликовано 10.04.16