Фотоэлектрический эффект

В предыдущих главах в основном мы рассматривали распространение света в прозрачных средах. Но в формальной теории дисперсии было получено выражение, характеризующее изменение интенсивности света при прохождении через поглощающее вещество:

 

Рис 10.1

Рис 10.2

Рис 10.3

При его выводе неявно предполагалось, что все электроны, которых в некоторый момент достигает волновой фронт, участвуют в процессе поглощения света. Однако имеется ряд факторов, свидетельствующих о том, что в действительности дело обстоит не так просто. Существуют эффекты, совершенно необъяснимые с волновой точки зрения. Таков, например, фотоэлектрический эффект, впервые замеченный Герцем (при, осуществлении его знаменитых опытов по получению электромагнитных волн) и позже изученный Л. Г. Столетовым (1839—1896) и другими учеными.

Для количественного изучения фотоэлектрического эффекта — вырывания электронов светом с поверхности металла (почему такой эффект и называют «внешним») — применяется схема, изображенная на рисунке 10.1. Здесь Ki— колба, в которой создан высокий вакуум, К — цезиевый (или другой подходящий) катод, А -— анод, О — прозрачное для изучаемого излучения окошко, ф — световой поток от источника монохроматического света (или источника белого света с соответствующими светофильтрами, вырезающими очень узкий участок спектра). Вольт-амперная характеристика прибора при неизменной интенсивности света и заданной его частоте ν имеет вид, показанный на рисунке 10.2 (кривая l). Изучение ее позволяет установить, что под действием света вырываются частицы с отрицательным зарядом (специальными исследованиями было доказано, что это электроны), обладающие некоторой начальной скоростью. Для торможения их приходится создавать встречное запирающее электрическое поле, подавая на отрицательное (относительно катода) напряжение Uзап . Существование тока насыщения, не зависящего от приложенного напряжения, говорит о том, что число электронов, вырываемых в единицу времени, ограничено.

Кривая 2 на том же рисунке свидетельствует о возрастании числа вырываемых в единицу времени электронов при увеличении интенсивности света данной частоты. Но поразительным является совпадение начальных точек обеих кривых, свидетельствующее о том, что максимальная скорость вырываемых светом электронов не зависит от интенсивности света.

Связь между током насыщения Iн и световым потоком Ф была изучена Столетовым, установившим простой закон,— эти величины пропорциональны друг другу:

 (10.1)

 

При некоторой частоте νmin , характерной для данного металла, фотоэффект исчезает. При этом увеличение интенсивности света не дает никакого результата. Экспериментальное изучение зависимости между частотой и запирающим напряжением, т. е. наибольшей кинетической энергией электронов в момент их вылета из металла, показало, что между этими величинами существует линейная зависимость (рис. 10.3), причем угол наклона прямой удовлетворяет условию:

(10.2)

где h — постоянная Планка, введенная в физику при изучении испускания света веществом (гл. 11), h=6,62x10-34 Дж x с, е — заряд электрона.

Наконец, было установлено, что фотоэффект возникает мгновенно, т. е. практически безынерционен, — изменения тока сразу следуют за изменениями освещенности. Кроме того, фотоэффект возникает при сколь угодно малой интенсивности света, (но при ν>νmin).

С волновой точки зрения понятен лишь закон Столетова: чем больше интенсивность падающего света, тем больше и поглощенная энергия, тем больше электронов вырывается из катода. Но практическая. безынериионность и независимость скорости электронов от интенсивности света, как и существование минимальной частоты света, необходимой для возникновения фотоэффекта, с волновой точки зрения совершенно непонятны. Казалось бы, что электроны должны постепенно накапливать энергию и этот процесс должен зависеть от интенсивности света. В самом деле, если приписать электрону орбиту диаметром ≈10-10 м (размер атома) и принять, что он поглощает энергию светового потока, пронизывающего плоскость орбиты, то, задавшись реальным значением светового потока источника и определенным расстоянием от источника до прибора, можно подсчитать время, необходимое для накопления электроном энергии:

(10.3)

отвечающей его наибольшей кинетической энергии. Расчеты дают очень большие значения времени — порядка нескольких минут и даже больше. Специальными опытами А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравов показали, что и при малых интенсивностях света фотоэффект возникает практически мгновенно, но вырывание электронов с поверхности тела малых размеров (пылинка в конденсаторе Милликена) происходит дискретно — между отдельными актами фотоэффекта существуют заметные паузы. При этом средняя энергия, поглощаемая пылинкой, соответствует расчету, проведенному с волновой точки зрения.