Действия света на вещество. Фотоэлектрический эффект

Действия света на вещество. Фотоэлектрический эффект. Световая волна, падающая на тело, частично отра­жается от него, частично проходит насквозь, частично поглощается (см. § 76). В большинстве случаев энергия поглощенной световой волны целиком переходит во внутреннюю энергию вещества, что приводит кнагрева­нию тела. Нередко, однако, известная часть этой погло­щенной энергии вызывает и другие явления. Очень важными действиями света, получившими большие практические применения, являются фотоэлектрический эффект, фото­люминесценция и фотохимические превращения.

Рис. 330. Фотоэффект: под действием света металл теряет отрицательные

Заряды

Простейший опыт, обнаруживающий фотоэлектрический эффект (фотоэффект), уже был описан в томе II, § 9. Хоро­шо очищенная цинковая пластинка 1 (рис. 330) прикреплена к электроскопу 2 и освещается источником 3, богатым

ультрафиолетовым излучением (электрическая дуга или кварцевая ртутная лампа). Если электроскоп заряжен отрицательно, то под действием света ртутной лам­пы он разряжается. Разряд происходит тем быстрее, чем больше освещенность пластинки, т. е. чем больше световой поток, падающий на пластинку. Явление разряда не про­исходит, если на пути лучей помещено стекло 4, задержи­вающее ультрафиолетовое излучение. Если электроскоп заряжен положительно, то заряд на нем сохра­няется, несмотря на освещение.

Из этих опытов, равно как из других, им подобных, мож­но прийти к следующим заключениям. Отрицатель­ный заряд теряется с поверхности металла при освещении. Положительный заряд сохра­няется на поверхности металла, несмотря на освещение. Этот важный вывод, показывающий, что эффект наблюдает­ся лишь в том случае, когда освещаемая пластинка соеди­нена с отрицательным полюсом батареи, впервые с полной определенностью был установлен русским физиком Алек­сандром Григорьевичем Столетовым (1839—1896). В случае цинковой пластинки существенное значение для явления имеет освещение ультрафиолетовым излучением.

Описанный опыт показывает различие в свойствах от­рицательных и положительных зарядов, входящих в состав металла. Первые представляют собой электроны, слабо свя­занные с металлом и могущие легко перемещаться в металле (проводимость) и сравнительно легко удаляться за его пре­делы (фотоэффект). Вторые же являются положительными ионами, составляющими решетку этого металла, так что вы­рывание их есть не что иное, как распыление самого метал­ла. Если металл заряжен отрицательно, то освобожденный электрон удаляется прочь от металла под действием элект­рического поля, созданного заряженным металлом. В случае положительного заряда электроны, которые всегда имеются в металле, могли бы быть также освобождены светом. Но электрическое поле, имеющееся вокруг положительно заряженного тела, тормозит вылетевшие электроны и стремится вернуть их обратно к телу. Поэтому, если кине­тическая энергия вылетевшего электрона (а следовательно, и его скорость) недостаточно велика, то электроны, несмотря на действие света, не могут покинуть пластинку, и поло­жительный заряд ее остается неизменным.

Способность света вызывать отделение электронов от ме­талла является одним из важнейших доказательств элект­ромагнитного характера световой волны. Под действием электрического поля световой волны электрон получает энергию, достаточную для того, чтобы, несмотря на действие сил, удерживающих его, вырваться за пределы металла. Однако ознакомление с законами фотоэффекта показывает, что дело обстоит значительно сложнее.

§ 183. Законы фотоэлектрического эффекта. Изложенное в § 182 показывает, что фотоэффект характеризуется чис­лом электронов, освобождаемых светом за единицу времени (т.е. силой фототока), и скоростью этих электронов. Чем больше число вылетающих за единицу времени электронов, тем быстрее идет разряд электрометра; чем больше скорость электронов, тем более сильное тормозя­щее поле надо применить, чтобы воспрепятствовать их удалению из пластинки. Для измерения этих двух важнейших

Рис. 331. Схема опыта по измерению фототока и скорости фотоэлектро­нов: 1 — освещаемая пластинка (катод), 2 — вспомогательный элект­род (анод), 3 — окошко, прозрачное для ультрафиолетового излучения, 4 — движок потенциометра

характеристик фотоэффекта — силы тока и скорости элект­ронов — служит опыт, схематически изображенный на рис. 331.

Пластинка 1, из которой освобождаются фотоэлектроны, присоединена к одному полюсу батареи, второй полюс которой соединен через потенциометр и гальванометр с пластинкой 2. Обе пластинки 1 и 2 заключены в сосуд, из которого откачивается воздух для того, чтобы столкнове­ния электронов с молекулами газа не вносили осложнения в наблюдаемые явления, а также для того, чтобы предохра­нить пластинки от окисления. Ультрафиолетовое излуче­ние, падающее на пластинку 1, проникает через кварцевое окошко 3. Электроны, вылетающие из пластинки 1, попада­ют в электрическое поле, имеющееся между обеими пластинками. Напряжение между пластинками можно изменять путем перемещения движка 4 потенциометра. Если поле достаточно сильно и направлено так, что оно увлекает электроны от пластины 1 к пластинке 2, то все вылетевшие электроны достигают пластинки 2, а следова­тельно, через гальванометр идет ток, который определяется. числом электронов, освобождаемых светом за единицу вре­мени. Этот ток, называемый током насыщения, и определяет силу фототока. Если же поле тормозит электроны, то, сде­лав его достаточно сильным, можно задержать все выле­тевшие электроны. По напряженности задерживающего поля можно определить скорость вылетающих электронов. Пусть скорость вылетающего электрона равна v, его масса т и заряд — е *). Кинетическая энергия этого элект­рона равна 1/2 mv ². Обладая такой энергией, электрон может пролететь сквозь тормозящее поле, создаваемое разностью потенциалов U, если eU меньше или равно 1/2 mv ². Опреде­лив то наименьшее значение U, которое задерживает электроны, освобожденные светом, мы найдем скорость этих электронов из условия

Исследование при помощи опытов, подобных описанному, установило следующие законы фотоэффекта.

1.Число электронов, освобожденных светом за единицу времени (т. е. ток насыщения), прямо пропорционально световому потоку.

2.Скорость вылетающих фотоэлектронов не зависит от освещенности, а определяется частотой света.

Схема, изображенная на рис. 331, непригодна для точных изме­рений. При расстоянии между пластинами, большом по сравнению с их размерами, не удается перехватить все электроны, освобожденные све-

*) Здесь буквой е обозначен элементарный заряд, т. е. положитель­ный заряд, равный абсолютной величине заряда электрона. Сам заряд электрона отрицателен и равен — е.

том(получить истинное значение силы тока насыщения), и затруднительно установить точное значение U, определяющее скорость фотоэлектро­нов. Более совершенным является предложенный П. И. Лукирским прибор,в котором электроды образуют сферический конденсатор: один электрод — небольшой шарик в центре сферы, поверхность которой образует второй электрод. Такой прибор позволяет надежно определять ток насыщения и задерживающий потенциал U, а следовательно, определять фототок и максимальную скорость вылетающих электронов.

Естественно возникает вопрос, как зависят количество и скорость освобождаемых светом электронов от вещества освещенного металла.

Исследование вылета электронов из нагретых металлов (см. том. II, §§89 и 90) показало, что каждому веществу соответствует своя работа выхода, т. е. каждый металл характеризуется определенной энергией, которую необхо­димо сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла. К совершенно тем же выводам мы приходим, изучая испускание электронов под действием света. Для некоторых металлов удалось определить работу выхода как при помощи явления испускания электронов при нагревании, так и при помощи фотоэлектрического эффекта. Оба метода дали одни и те же значения. Так, например, для вольфрама получены следую­щие значения работы выхода:

7,18•10^-19 Дж по фотоэлектронной эмиссии, 7,23•10^-19 Дж по термоэлектронной эмиссии.

Пусть из некоторого металла, для которого работа выхода равна А, под действием света частоты n вырываются электроны со скоростью v, т. е. обладающие кинетической

энергией 1/2 mv ². Таким образом, вся энергия, сообщенная каждому электрону, W=А+ 1/2 mv ². Опыты, подобные опи­санным выше, показали, что полная энергия, сообщаемая электрону светом, прямо пропорциональна частоте света,

т.е. W = А +1/2 mv ² = hn, где h — постоянная величина.

Эта постоянная не только не зависит от частоты света и освещенности, но сохраняет одно и то же значение для всех веществ. Поэтому h является фундаментальной постоянной. Она получила название постоянной Планка в честь немецкого физика Макса Планка. Из описанных опытов можно определить h, ибо величины A, mv ² и n могут быть измерены. Для h получено значение 6,6•10^-34 Дж•с.

Пользуясь найденными соотношениями, второй закон фотоэффекта можно формулировать так: полная энергия, получаемая электроном от света частоты n, равна hn.

Испуская под действием света электроны, металл должен заряжать­ся положительно. Вследствие этого возникает электрическое поле, затрудняющее дальнейшее испускание электронов. Какова же пре­дельная разность потенциалов U между освещаемой пластинкой и стенами лаборатории (землей), возникновение которой будет препятствовать дальнейшему уходу электронов с пластинки? В условиях опыта, изображенного на рис. 330, эта разность потенциалов определя­ется по показаниям электрометра. На поставленный вопрос нетруд­но ответить, пользуясь основными соотношениями, приведенными выше;

где е— элементарный заряд *). Сделав соответствующее вычисление для пластинки вольфрама (для которого, как сказано, A =7,2•10^-19 Дж), освещаемой ультрафиолетовым излучением с длиной волны l=200 нм, мы найдем, что U»1,7 В. Другими словами, для того чтобы наблюдать на опыте явление положительной зарядки металла под действием излу­чения, надо располагать чувствительным электрометром или работать с излучением очень короткой длины волны, например с рентгеновским (см. упражнение 37 в конце главы). Найдя в соответствующем опыте U мы можем использовать эти данные для определения длины волны рент­геновского излучения.