Фото-электрический эффект

Фото-

Открытие фотоэффекта Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г.

Внешний фотоэффект Опыт Г. Герца (1888 г.): при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.

Наблюдение фотоэффекта: 1. Цинковую пластину, соединенную с электроскопом, заряжают отрицательно и облучают ультрафиолетовым светом. Она быстро разряжается. Если же ее зарядить положительно, то заряд пластины не изменится.

Наблюдение фотоэффекта: 2. Ультрафиолетовые лучи, проходящие через сетчатый положительный электрод, попадают на отрицательно заряженную цинковую пластину и выбивают из нее электроны, которые устремляются к сетке, создавая фототок, регистрируемый чувствительным гальванометром.

Внешний фотоэффект Фотоэффект - явление испускания электронов с поверхности металла под действием света. Т.е. свет выбивает (вырывает) электроны из металла.

Столетов Александр Григорьевич (1839-1896) Русский физик, научные работы посвящены электромагнетизму, оптике, молекулярной физике, философским вопросам науки. Впервые показал, что при увеличении намагничивающего поля, магнитная восприимчивость железа сначала возрастает, а затем падает, проходя через максимум, осуществил ряд экспериментов для определения величины отношения электромагнитных и электростатических величин, получил значение, близкое к значению скорости света (1876г.). В 1888-90г. выполнил цикл работ по исследованию явления внешнего фотоэффекта, создал первый фотоэлемент (1888г.), является основоположником количественных методов исследования фотоэффекта, изучал несамостоятельный газовый разряд, исследовал критическое состояние вещества, многое сделал для развития физики в России. В 1872г создал первую физическую лабораторию и исследовательский институт при Московском университете.

Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта.

Анализ вольт-амперной характеристики. Начиная с некоторого значения напряжения сила тока в цепи перестает изменяться, достигнув насыщения.

Анализ вольт-амперной характеристики. При таком значении напряжения сила тока в цепи анода равна нулю.

Анализ вольт-амперной характеристики. Согласно закону сохранения энергии

Зависимость числа выбитых электронов от светового потока. Световой поток, падающий на фотокатод увеличивается, а его спектральный состав остается неизменным: Ф2 > Ф1

Первый закон фотоэффекта Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на металл. или Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

Влияние спектрального состава света При частоте ν = νmin запирающее напряжение равно нулю. При частоте ν < νmin фотоэффект отсутствует.

Второй закон фотоэффекта: Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света не зависит от интенсивности падающего света.

Красная граница фотоэффекта При  < min ни при какой интенсивности волны падающего на фотокатод света фотоэффект не произойдет. Т.к. , то минимальной частоте света соответствует максимальная длина волны.

Третий закон фотоэффекта Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил, что красная граница фотоэффекта является характеристикой данного вещества. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота min , при которой еще возможен фотоэффект.

Законы фотоэффекта: Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света не зависит от интенсивности падающего света. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота min , при которой еще возможен фотоэффект. Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.

Что не могла объяснить волновая теория света: Безынерционность фотоэффекта. В волновой модели: электрон при взаимодействии с электромагнитной световой волной постепенно накапливает энергию, и только через значительное время вылетит из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Существование красной границы фотоэффекта. В волновой модели: необходимую энергию можно накопить при любой энергии волны. Независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока. Пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.

Идея Эйнштейна (1905 г.) Свет имеет прерывистую дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. Квант поглощается электроном целиком. Энергия кванта передается электрону. (Один фотон выбивает один электрон.) Энергия каждого фотона определяется формулой Планка W = E = hν, где h – постоянная Планка.

Уравнение Эйнштейна На основании закона сохранения энергии: Смысл уравнения Эйнштейна: энергия кванта тратится на работу выхода электрона из металла и сообщение электрону кинетической энергии. В этом уравнении: ν - частота падающего света, m - масса электрона (фотоэлектрона), υ - скорость электрона, h - постоянная Планка, A - работа выхода электронов из металла.

Работа выхода Она показывает, какую работу должен совершить электрон, чтобы преодолеть поверхностную разность потенциалов и выйти за пределы металла. Работа выхода обычно измеряется в электронвольтах (эВ).

Доказательство законов фотоэффекта Число фотонов Nф равно числу электронов Nэ. Энергия монохроматического света Следовательно,

Доказательство законов фотоэффекта Из уравнения Эйнштейна:

Доказательство законов фотоэффекта Минимальная частота света соответствует Wк=0, то или .

Работа выхода Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта λкр ≈ 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.

Определение постоянной Планка Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν, равен отношению постоянной Планка h к заряду электрона e: