Физика. Теория. Методика. Задачи - Демков В.П.
Скачать (прямая ссылка):
е = /г V, (17.3)
где h - также постоянная Планка. Гипотеза Эйнштейна утверждала, что свет
распространяется в виде крохотных частиц, а не волн. Эйнштейн предложил
способ проверки своей гипотезы, основанный на количественных измерениях
при фотоэлектрическом эффекте.
Фотоэффект
Фотоэлектрическим эффектом, или фотоэффектом, называется испускание
электронов веществом под действием света. Прибор для наблюдения
фотоэффекта схематически изображен на рис. 17.2. Металличес-
601
источник света
фотоэлемент катод
Рнс. 17.2
кая пластинка (катод) и небольшой электрод (анод), помещенные в
откачанную до глубокого вакуума стеклянную трубку, образуют фотоэлемент.
Электроды соединены через реостат с источником ЭДС так, как показано на
рисунке. Для измерений тока в цепи и разности потенциалов на фотоэлементе
в электрическую схему включены амперметр и вольтметр. Свет, проходя через
стеклянный корпус прибора, падает на катод. В результате в цепи возникает
ток, регистрируемый амперметром. Объяснить, каким образом замыкается
цепь, можно, предположив, что под воздействием света с поверхности катода
вылетают заряженные частицы и движутся под действием электрического поля
к аноду. Опытным путем было установлено, что: 1) испускаемые под
действием света заряды имеют отрицательный знак (позже было установлено,
что эти заряды являются электронами); 2) максимальный ток в цепи
пропорционален интенсивности света, падающего на катод; 3) максимальные
скорости вылетающих электронов не зависят от интенсивности света, а
определяются его частотой; 4) для каждого вещества существует минимальная
частота света, при которой фотоэффект еще возможен, т.е. при более низких
частотах ток в цепи отсутствует.
Изменяя напряжение между электродами прибора (при постоянных
интенсивности и частоте падающего света), можно получить зависимость тока
в цепи (так называемого фототока) от напряжения (рис. 17.3). Эту
зависимость называют волът-амперной характеристикой фотоэлемента. Пологий
ход кривой указывает на то, что электроны (фотоэлектроны) вылетают из
катода с различными по величине скоростями. Часть электронов,
соответствующих силе тока при U=0, обладает скоростями, достаточными для
того, чтобы долететь до анода "самостоятельно", без помощи ускоряющего
электрического поля между электродами. Для того чтобы такие электроны не
долетели до анода, т.е. для обращения силы тока в ноль, нужно поменять
полярность источника. В этом случае между электродами возникнет
тормозящее электроны электрическое поле такое, что даже обладающие при
вылете из катода наибольшим значением скорости итах частицы не в
состоянии преодолеть расстояние до анода. Напряжение U3, соответствующее
1=0, называют задерживающим или запирающим. Согласно теореме об изменении
кинетической энергии, AT=0-l/im будет равно работе сил электрического
поля А = - И Щ т.е.
(17.4)
Рис. 17.3
Vi т umax - \е\ U3.
602
При некотором напряжении между электродами фототок достигает своего
максимального значения /н, называемого током насыщения, при котором все
испущенные катодом электроны попадают на анод. Следовательно, сила тока
/н определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу
времени под действием света.
Эйнштейн показал, что все отмеченные закономерности фотоэффекта легко
объясняются, если предположить, что свет поглощается квантами hv. При
этом энергия, получаемая электроном, доставляется ему в виде кванта hv,
который поглощается им целиком. Часть этой энергии, равная работе выхода
А, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело (работа выхода,
та наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы
удалить его из тела в вакуум). Если электрон находится не у самой
поверхности, а на некоторой глубине, то часть энергии может быть также
потеряна вследствие столкновений в веществе. Остаток энергии образует
кинетическую энергию электрона, покинувшего вещество. Если электрон
находится у самой поверхности, то доля энергии, передаваемой электрону в
виде кинетической энергии, будет максимальной. В этом случае должно
выполняться условие
hv = A + l/zm Umax> (17-5)
которое называется формулой Эйнштейна.
Фотоэффект и работа выхода в сильной степени зависят от состояния
поверхности катода. Поэтому идея Эйнштейна была экспериментально
проверена только через десять лет, когда была разработана технология
тонкой очистки поверхностей металлов. Результаты оказались в полном
согласии с формулой (17.5).
Из формулы (17.5) вытекает, что в случае, когда работа выхода А превышает
энергию кванта hv, электроны не могут покинуть металл. Следовательно, для
возникновения фотоэффекта необходимо выполнение условия hv А, т.е.
v2.v0 = A/h, (17.6)
или через длину волны (v = с/к):
X<X0 = h с/А. (17.7)
Минимальная частота v0 или максимальная длина волны Хд, при которых
возможен фотоэффект, называются красной границей фотоэффекта.
Рассмотренный выше фотоэффект часто называют внешним фотоэффектом, чтобы
