Законы внешнего фотоэффекта¶

Законы фотоэффекта — совокупность экспериментально установленных закономерностей, описывающих испускание электронов веществом под действием света. Фотоэффект был открыт Генрихом Герцем в 1887 году и подробно исследован Александром Столетовым в 1888–1890 годах. Законы фотоэффекта не удавалось объяснить в рамках классической волновой теории света; их объяснение дал Альберт Эйнштейн в 1905 году на основе квантовой гипотезы Макса Планка, за что был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году.

¶Определение и виды фотоэффекта

Фотоэффект — явление вырывания электронов из вещества под действием электромагнитного излучения (света). Различают:

• внешний фотоэффект — испускание электронов с поверхности тела (фотоэлектронная эмиссия);
• внутренний фотоэффект — переход электронов внутри вещества в свободное состояние без выхода наружу (характерен для полупроводников и диэлектриков);
• вентильный фотоэффект — возникновение электродвижущей силы при освещении контакта двух веществ.

Законы, о которых идёт речь, сформулированы прежде всего для внешнего фотоэффекта.

¶Экспериментальные законы

В опытах Столетова и последующих исследователей были установлены три основных закона внешнего фотоэффекта.

¶Первый закон

Число электронов, вырываемых светом с поверхности вещества за единицу времени (фототок насыщения), прямо пропорционально интенсивности падающего света. При неизменном спектральном составе излучения увеличение светового потока во столько же раз увеличивает число фотоэлектронов.

¶Второй закон

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности. Этот закон противоречил классическим представлениям: согласно волновой теории, энергия электрона должна была определяться амплитудой (интенсивностью) волны, а не частотой.

¶Третий закон

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта — минимальная частота света (или максимальная длина волны), ниже которой фотоэффект не наблюдается ни при какой интенсивности излучения. Величина красной границы зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

¶Уравнение Эйнштейна

Эйнштейн предположил, что свет распространяется и поглощается отдельными порциями — квантами (фотонами) с энергией E = hν, где h — постоянная Планка, ν — частота света. Поглощая фотон, электрон получает его энергию; часть её расходуется на совершение работы выхода A из металла, остаток превращается в кинетическую энергию:

hν = A + (m·v²)/2

Это уравнение объясняет все три закона:

• интенсивность света определяет число фотонов, а значит, и число выбитых электронов (первый закон);
• кинетическая энергия электрона зависит от энергии фотона, то есть от частоты, а не от интенсивности (второй закон);
• фотоэффект возможен лишь при hν ≥ A, откуда красная граница ν₀ = A/h (третий закон).

¶Красная граница и работа выхода

Работа выхода — минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону для выхода из вещества. Она измеряется в электронвольтах и зависит от материала и состояния поверхности.

Для щелочных металлов красная граница лежит в видимой области, для большинства других металлов — в ультрафиолетовой. Поэтому фотоэффект на цинке наблюдается только под действием ультрафиолета.

¶Задерживающее напряжение и вольт-амперная характеристика

Экспериментальная проверка законов проводится с помощью вакуумной трубки с двумя электродами (катодом и анодом). При освещении катода в цепи возникает ток. Вольт-амперная характеристика имеет вид: ток растёт с напряжением, затем выходит на насыщение (все выбитые электроны достигают анода). При обратном (задерживающем) напряжении ток прекращается, когда работа электрического поля полностью гасит кинетическую энергию электронов:

e·U_з = (m·v²)/2

Измеряя задерживающее напряжение U_з, определяют максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, что позволяет экспериментально находить постоянную Планка и работу выхода.

¶Значение и применение

Законы фотоэффекта сыграли ключевую роль в становлении квантовой физики: они показали ограниченность классической электродинамики и утвердили корпускулярно-волновой дуализм света. Практические применения включают:

• фотоэлементы и фотоэлектронные умножители — регистрация слабых световых потоков;
• вакуумные фотоэлементы — автоматика, звуковое кино, турникеты;
• солнечные батареи на основе внутреннего фотоэффекта в полупроводниках;
• фоторезисторы и фотодиоды — датчики освещённости, приёмники излучения;
• спектроскопия — определение работы выхода и исследование поверхности материалов.

Русский физик Александр Григорьевич Столетов впервые провёл систематические количественные измерения фотоэффекта, установил прямую пропорциональность фототока интенсивности света и обнаружил явление фотоэффекта в газах. Его работы заложили экспериментальную базу, на которой Эйнштейн построил квантовую теорию.

¶Источники

• Столетов А. Г. «Актино-электрические исследования»
• Эйнштейн А. «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света»
• Трофимова Т. И. «Курс физики»
• Сивухин Д. В. «Общий курс физики. Оптика»
• Савельев И. В. «Курс общей физики»