Лабораторная работа № 3.6 Внешний фотоэффект

Цель работы:

изучить явление фотоэффекта; исследовать характеристики фотоэлемента; определить постоянную Планка; определить работу выхода.

Оборудование:

лабораторные установки для изучения явления внешнего фотоэффекта.

Теоретическое введение Внешний фотоэффект и его закономерности.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Явление внешнего фотоэффекта было впервые обнаружено Г.Герцем в 1887 г., а в 1888–1890 гг. А.Г.Столетов сформулировал основные законы внешнего фотоэффекта.

1. Сила фототока насыщения, а, следовательно, и количество фотоэлектронов, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности вещества, прямо пропорциональны интенсивности падающего излучения, если его спектральный состав остается неизменным.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего монохроматического излучения.

3. Для каждого вещества существует минимальная частота (максимальная длина волны ), называемая красной границей фотоэффекта, если частота падающего электромагнитного излучения меньше фотоэффект не наблюдается.

Объяснить 2-й и 3-й законы фотоэффекта с точки зрения классических волновых представлений не представляется возможным. С точки зрения классической физики энергия фотоэлектрона должна находиться в прямой связи с интенсивностью падающего излучения. Однако опыт показывает, что энергия фотоэлектронов совершенно не зависит от интенсивности света. Увеличение интенсивности приводит лишь к пропорциональному увеличению числа фотоэлектронов, но не их энергии. Энергия же отдельного фотоэлектрона зависит только от частоты падающего света.

В 1905 г. А. Эйнштейн объяснил экспериментальные закономерности фотоэффекта на основе гипотезы световых квантов. Согласно теории Эйнштейна падающее монохроматическое излучение рассматривается как поток частиц, называемых фотонами.

Фотон обладает энергией , массой и импульсом .

Здесь – постоянная Планка, – частота монохроматического излучения, – скорость света.

При поглощении фотона его энергия передается одному электрону, и, если эта энергия достаточна для того, чтобы освободить электрон от удерживающих его связей, то он может выйти за пределы поверхности металла. Заметим, что не каждый поглощенный фотон приводит к освобождению электрона. Эффективность выбивания электронов характеризуется квантовым выходом – величиной, равной отношению числа, фотоэлектронов к числу поглощенных фотонов, которая, как правило, всегда меньше единицы.

Поглощенная энергия фотона частично затрачивается на работу по вырыванию электрона из металла и частично переходит в кинетическую энергию свободного электрона. Минимальную энергию, необходимую для вырывания электрона из металла, называют работой выхода . Следовательно, для фотоэлектронов, имеющих максимальную кинетическую энергию, закон сохранения энергии в элементарном акте поглощения фотона можно представить в виде:

(1)

Данное уравнение получило название уравнения Эйнштейна.

Исходя из этого уравнения, можно объяснить указанные выше основные закономерности внешнего фотоэффекта.

Так как каждый электрон испускается в результате поглощения одного фотона, то общее число фотоэлектронов, испускаемых за единицу времени, пропорционально числу фотонов, падающих за тоже время на поверхность вещества. Но число фотонов пропорционально потоку излучения, следовательно, фототок насыщения пропорционален интенсивности падающего излучения.

Из формулы также следует, что существует некоторая минимальная частота падающего на металл излучения, при которой еще возможен фотоэффект. Она определяется соотношением:

(2)

Частота _о получила название красной границы фотоэффекта. Она зависит только от величины работы выхода, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности.

Поскольку для каждого вещества , то максимальная энергия испускаемых фотоэлектронов определяется только частотой излучения и не зависит от его интенсивности.