Фотоэлектрический эффект

В 1887 г. Г.Герц обнаружил, что если направить на отрицательный электрод искрового разрядника ультрафиолетовое излучение, то электрический разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствие освещения. Тщательные исследования, проведенные в 1888-1889 гг. А.Г.Столетовым, позволили понять сущность явления, обнаруженного Герцем: оно обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из металлического катода разрядника. В дальнейшем измерения удельного заряда этих частиц показали, что они представляют собой электроны.

Явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием света называют внешним фотоэлектрическим эффектом (или просто фотоэффектом), а вырванные таким образом электроны – фотоэлектронами.

Схема опытов Столетова представлена на рисунке 110. В электрическую цепь включен конденсатор, положительная обкладка которого – медная сетка С, а отрицательная – цинковая пластина D. Когда от источника света излучение направляют на отрицательно заряженную пластину D, в цепи возникает электрический ток (фототок). Если пластина D заряжена положительно, а сетка С – отрицательно, то гальванометр не обнаруживает электрического тока.

Опытным путем установлены три закона внешнего фотоэффекта (законы Столетова):

1) максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;

2) для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. наименьшая частота света ν_min, при которой еще возможен фотоэффект;

3) число фотоэлектронов, вырываемых из катода за 1 с (фототок насыщения), прямо пропорционально интенсивности света.

Кроме того, установлена практическая безынерционность фотоэффекта: он сразу же возникает при освещении поверхности тела при условии, что частота света больше ν_min.

Полученные опытным путем законы фотоэффекта не удалось объяснить на основе электромагнитной волновой теории света. С точки зрения этой теории электромагнитная волна, достигнув поверхности металла, вызывает вынужденные колебания электронов, отрывая их от металла. Но тогда требуется время для «раскачки» электронов, и при малой освещенности металла должно возникнуть заметное запаздывание между началом освещения и моментом вылета электронов. Далее, кинетическая энергия электронов, покидающих металл, должна зависеть от амплитуды вынуждающей силы и тем самым от напряженности электрического поля в электромагнитной волне.

Однако все эти выводы противоречат законам фотоэффекта. Решение было найдено А.Эйнштейном в 1905 г. из совершено иных соображений.

Идеи Эйнштейна представляют собой отход от классической волновой оптики. Распространение света здесь рассматривается не как непрерывный волновой процесс; свет – это поток особых частиц (фотонов), движущихся со скоростью с – скоростью света в вакууме. В монохроматическом свете с частотой ν все фотоны имеют одинаковую энергию, равную . Поглощение света состоит в том, что фотоны передают всю энергию атомам и молекулам вещества. Из этого следует, что поглощение света, как и его распространение, происходит прерывно, отдельными порциями.

Квантовая точка зрения на природу света позволяет иначе, чем в электромагнитной теории, подойти к объяснению внешнего фотоэффекта. Известно, что для выхода из вещества электрон должен преодолеть потенциальный барьер на границе вещество – вакуум. Для этого ему необходимо совершить работу выхода А_вых. В результате поглощения фотона его энергия целиком передается электрону. Если эта энергия больше работы выхода, то электрон сможет выйти из вещества. Наибольшую кинетическую энергию, которую сможет приобрести фотоэлектрон, можно найти, исходя из закона сохранения энергии:

.

Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все законы внешнего фотоэффекта. Так, из него следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, а, следовательно, и его максимальная начальная скорость зависят от частоты света ν и работы выхода А_вых, но не зависят от интенсивности света. Это есть первый закон внешнего фотоэффекта. Далее из этого же уравнения следует, что внешний фотоэффект возможен лишь при условии, что . Энергии фотона должно, по меньшей мере, хватить на то, чтобы вырвать электрон из вещества (в данном случае для металла). Обозначив через ν_min наименьшую частоту света, при которой возможен фотоэффект, имеем , следовательно, граничная длина волны . Красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода электрона, т.е. от химической природы металла и состояния его поверхности. Так объясняется второй закон фотоэффекта. Красной эта граница названа потому, что при , т.е. в случае «более красного» света, фотоэффект не происходит.

Наконец, общее число N фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность металла, должно быть пропорционально числу фотонов n, падающих за это время на поверхность. Если Н – освещенность поверхности, пропорциональная интенсивности света, то число ежесекундно падающих на поверхность фотонов составляет . Таким образом, доказывается третий закон внешнего фотоэффекта: число фотоэлектронов, ежесекундно вылетающих из металла, пропорционально интенсивности света:

.

Фотоэлектрический эффект нашел широкое применение в технике. На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы.

Вакуумный фотоэлемент (рис. 111) представляет собой стеклянный сосуд, в котором создан глубокий вакуум. Половину баллона покрывают тонким слоем серебра (это подложка), на который напыляют светочувствительный слой из металла, оксида бария или соединения сурьмы с цезием и т.п. Этот электрод служит катодом. В центре фотоэлемента помещают анод в виде кольца или цилиндра.

При включении в цепь фотоэлемента, ток в ней не возникает из-за отсутствия свободных электронов между катодом и анодом. Однако если катод осветить, то из него вылетают фотоэлектроны, и в цепи течет ток. А так как сила фототока пропорциональна интенсивности света, то колебания освещенности катода вызывают колебания силы тока в цепи.

Сила фототока в вакуумных фотоэлементах мала. Для усиления тока используют иногда ударную ионизацию газа. С этой целью баллон заполняют инертным газом (чаще всего аргоном) под давлением около 1-10 Па. За счет ударной ионизации сила тока возрастает в десятки раз.

Вакуумные фотоэлементы применяются в схемах световой сигнализации, а также в звуковом кино для воспроизведения звука, записанного на пленку оптическим способом.

Дисперсия света

Под дисперсией света понимают явления, обусловленные зависимостью показателя преломления n вещества от длины волны λ.

Зависимость n(λ) в той или иной мере свойственна всем веществам. Среды с выраженной зависимостью n(λ) называются диспергирующими. В большинстве случаев на границе двух различных прозрачных сред коротковолновое излучение преломляется сильнее, чем длинноволновое (например, при переходе света из воздуха в стекло, кварц или воду фиолетовые лучи преломляются сильнее, чем красные). По существу это обусловлено зависимостью относительного показателя преломления от длины волны, из-за чего монохроматические составляющие сложного света при одинаковом угле падения преломляются под разными углами. Явление дисперсии используется для разложения сложного излучения на монохроматические составляющие. Например, при прохождении пучка белого света сквозь трехгранную призму из вещества, обладающего достаточной дисперсией (стекло, кварц, флюорит и др.), он разлагается в спектр: лучи разной длины волны отклоняются призмой на различные углы (рис. 112).