Эффективность фотоэффекта зависит от химической природы и состояния поверхности металлической пластины

Ф. Ленард и Дж. Томсон, измерив, заряд частиц, испускаемых под действием света, установили, что это – электроны.

Схема установки для исследования фотоэффекта, усовершенствованная П.И.Лукирским и С.С.Прилежаевым приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема экспери-ментальной установки для исследования фотоэффекта

В вакуумный стеклянный баллон помещался катод К, покрытый исследуемым металлом. На него через специальное кварцевое окно подавался монохроматический свет. Анод А из меди располагался в противоположном конце баллона. Данное устройство было названо фотоэлементом. Напряжение между анодом и катодом регулировалось специальным потенциометром, который подключался к двум разным по напряжению батареям, соединенным встречно. Ток анода измерялся посредством миллиамперметром. На рисунке 2 приведены вольт – амперные характеристики фотоэлемента – зависимости силы фототока I от напряжения U, соответствующие двум различным значениям интенсивностям светового потока. Частота света в обоих случаях одинакова.

Рис.2. Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 – токи насыщения, Uз – запирающее напряжение

Существование фототока в области отрицательных напряжений на аноде от 0 до (– U_з) объясняется тем, что электроны, выбитые светом из катода, обладают отличной от нуля начальной кинетической энергией. Теряя начальную энергию, при совершении работы против сил электрического поля, электроны достигают анода. Однако при определенном отрицательном напряжении U_з, кинетическая энергия электронов у анода будет равна нулю и ток прекратится. Отсюдаочевидно, что максимальная начальная скорость υ_max фотоэлектронов связана с запирающим напряжением U_з соотношением

. (1)

Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях U₁, U₂ на аноде фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода. Ток насыщения I_н прямо пропорционален интенсивности падающего света, но величина U_з не зависит от интенсивности падающего светового потока. Экспериментально установлено, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света.

Таким образом, были установлены следующие основные законы фотоэффекта:

1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.

2. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота ν_min , при которой еще возможен внешний фотоэффект.

3. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

4. Фотоэффект практически безынерционный, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > ν_min.

Установленные закономерности фотоэффекта не могли быть объяснены с точки зрения волновой теории. Согласно волновым представлениям, электрон при взаимодействии с электромагнитной световой волной должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон вылетел из катода. Однако экспериментально установлено, что фотоэлектроны появляются сразу после освещения катода. Также волновая теория света не объясняла независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока и существование красной границы фотоэффекта.

Объяснение закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе теории М.Планка о том, что свет излучается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой ε_о = hν, где h – постоянная Планка. Как следствие, Эйнштейн добавил, что свет поглощается тоже порциями. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций–квантов, названных фотонами. Для удобства энергию фотона (кванта) обозначают ε = hν, где h = 4,136·10^–15 эВ·с.

При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

. (2) Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

При облучении металла светом с частотой соответствующей красной границе фотоэффекта, (то есть светом с наименьшей частотой ν_min) , при которой еще возможен внешний фотоэффект, кинетическая энергия выбитых на поверхность металла фотоэлектронов равна 0. Отсюда работа выхода A определяется:

(3) где c – скорость света, λ_кр – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10^–19 Дж). Наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта λ_кр ≈ 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах.