29. Фотоэффект и его закономерности. Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Фотоны.

В результате исследований было обнаружено, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в выбивании электронов из вещества под действием падающего на него электромагнитного излучения (наблюдается в металлах, полупроводниках, диэлектриках). Устройство для наблюдения внешнего фотоэффекта изображено на рисунке.

К

А

При постановке данного опыта были зафиксированы следующие факты:

1. Из катода под действием излучения выбиваются электроны

2. Существует порог фотоэффекта при частоте излучения ν>= νпор

или длине волны λ<λкр когда выполняются данные условия фотоэффект наблюдается при любой интенсивности.

3. Eелектрона ~ ν (энергия электронов эквивалентна частоте излучения)

4. фотоэффект полностью безинерциальный

Допустим, что фотоэлемент включен в цепь, изобpажённую на pисунке. Пеpедвигая движок реостата и снимая показания с пpибоpов, можно найти вольт-ампеpную зависимость фотоэлемента. Пpи U = 0 чеpез элемент пpоходит небольшой ток ( ). Под действием света выpываются электpоны, катод заpяжается положительно. Выpванные электpоны вблизи катода создают отpицательно заpяженное облако, из котоpого большая часть электpонов попадает обpатно на катод (катод пpи U = 0 притягивает электроны), а часть электpонов из облака попадает на анод. Они и создают небольшой ток . Если увеличивать напpяжение, то по меpе его роста все большее число электронов за секунду попадает на анод. Ток насыщения опpеделяется тем количеством электронов, которые выpываются в секунду из металла.

К ривая а соответствует меньшей, а кривая b большей освещенности Е катода. Частота света в обоих случаях одинакова. При =0 небольшое число испущенных электронов достигает анода, обладая некоторой начальной скоростью, т.е. кинет энергией. По мере увеличения ускоряющего напряжения фототок возрастает. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с разными скоростями. При некотором анодном напряжении все электроны, испускаемые катодом достигают анода- ток насыщения , n-число электронов, испускаемых катодом в секунду. Если изменить знак внешнего напряжения, то Эл, поле будет тормозить электроны и при некотором его значении электроны совсем перестанут достигать анода. Сам факт фотоэффекта возникает из электромагнитной картины излучения. У электронов появляется энергия за счёт раскачки их полем.

Но с точки зрения волновой картины фотоэффект должен обладать инерциальностью. Данное противоречие было разрешено Эйнштейном.

Гипотеза Эйнштейна

Свет не только излучается, но и поглощается в виде порций, квантов.

Фотоны, падая на поверхность металла, поникают на очень короткое расстояние в металл и поглощаются нацело отдельными его электронами проводимости. Они сразу же увеличивают свою энергию до значения, достаточного, чтобы преодолеть потенциальный барьер вблизи поверхности металла, и вылетают наружу.

Закон сохранения энергии позволяет написать простое соотношение, связывающее скорость фотоэлектронов с частотой поглощаемого света.

Энергия фотона после поглощения его, с одной стороны, расходуется на преодоление потенциального барьера (эта часть энергии называется работой выхода электрона из металла), а с другой стороны, частично сохраняется у электрона вне металла в виде кинетической энергии. Таким образом, соотношение для энергии таково: , где А - работа выхода электрона. Это соотношение подтверждает тот факт, что энергия фотоэлектронов, действительно, никак не зависит от интенсивности света, а линейно зависит от частоты света.

1. hν=Aвых ( hν<Aвых металл можно только нагреть но электроны не вылетят.)

2. Кинетическая энергия вылетевших электронов .

т.к. свет излучается и поглощается квантами, то световой поток это всегда поток

квантов (локализованных порций) – фотонов.

Свойства потока (они есть у фотона)

1. Eф =hν

2. импульс p=E/c= hν/c=h/λ

3. mo=0 если фотон останавливается то он исчезает.

m = hν - релятивистская масса фотона.

Три закона внешнего фотоэффекта:

1.Число фотоэлектронов n, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует “красная граница” фотоэффекта, те min частота света, при которой еще возможен фотоэффект. Она зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.