Оптика - Годжаев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
измерения возникающей силы тока. Облучая катод светом различных длин
волн, Столетов пришел к выводу, что наиболее эффективное действие
оказывают ультрафиолетовые лучи. Кроме того, было установлено, что сила
тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его
интенсивности.
В 1898 г. Ленард и Томсон методом отклонения зарядов в электрическом и
магнитном полях определили удельный заряд заряженных частиц, вырываемых
светом из катода, и получили выражение eim = -5,27-1017 СГСЕ ед.з/г,
совпадающее с известным удельным зарядом электрона. Отсюда следовало, что
под действием света происходит вырывание электронов из вещества катода.
Явление это носит название фотоэлектрического эффекта или просто
фотоэффекта.
Законы фотоэффекта. Путем обобщения полученных результатов были
установлены следующие закономерности фотоэффекта:
1. При неизменном спектральном составе сЕета сила фототока насыщения
прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.
2. Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно
растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.
3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой
характерной для каждого металла величины vMliH, называемой красной
границей.
Первую закономерность фотоэффекта, а также возникновение самого
фотоэффекта легко объяснить, исходя из законов классической физики.
Действительно, световое поле, воздействуя на электроны внутри металла,
возбуждает их колебания. Амплитуда вынужденных колебаний может достичь
такого значения, при кото-
342
и
/
Ъ
ром электроны покидают металл; тогда и наблюдается фотоэффект.
Ввиду того что согласно классической теории интенсивность света прямо
пропорциональна квадрату электрического вектора, число вырванных
электронов растет с увеличением интенсивности света.
Вторая и третья закономерности фотоэффекта законами классической физики
не объясняются.
Изучая зависимость фототока (рис. 15.3), возникшего при облучении металла
потоком монохроматического света, от разности потенциалов между
электродами (такая зависимость обычно называется вольт-амперной
характеристикой фототока), установили, что: 1) фототок возникает не
только при Va- Vk; = О" но к ПРИ Ка- Vk <0; 2) фототок отличен от нуля до
строго определенного для данного металла отрицательного значения разности
потенциалов Va- Vk; = Vs, так называемого задерживающего потенциала; 3)
величина запирающего (задерживающего) потенциала не зависит от
интенсивности падающего света; 4) фототок растет с уменьшением
абсолютного значения задерживающего потенциала;
5) величина фототока растет с ростом Va- Vк к с какого-то определенного
значения Va - Vk фототок (так называемый ток насыщения) становится
постоянным; 6) величина тока насыщения Рис. 15.3
растет с увеличением интенсивности падающего света; 7) величина
задерживающего потенциала зависит от частоты падающего света, 8) скорость
вырванных под действием света электронов не зависит от интенсивности
света, а зависит только от его частоты.
Квантовая теория света и фотоэффект. Явление фотоэффекта и все его
закономерности хорошо объясняются с помощью квантовой теории света, что
подтверждает квантовую природу света.
Как уже было отмечено, Эйнштейн (1905 г.), развивая квантовую теорию
Планка, выдвинул идею, согласно которой не только излучение и поглощение,
но и распространение света происходит порциями (квантами), энергия и
импульс которых:
E0 = hv, -j
где k° - единичный вектор, направленный по волновому вектору. Применяя к
явлению фотоэффекта в металлах закон сохранения энергии, Эйнштейн
предложил следующую формулу:
hv = А-{- mv2/2, (15.19)
где А - работа выхода электрона из металла, v- скорость фотоэлектрона.
Согласно Эйнштейну, каждый квант поглощается только
343
одним электроном, причем часть энергии падающего фотона тратится на
совершение работы выхода электрона металла, оставшаяся же часть сообщает
электрону кинетическую энергию mv2/2.
Как следует из (15.19), фотоэффект в металлах может возникнуть только
при^/iv в противном случае энергия фотона будет недостаточной для
вырывания электрона из металла. Наименьшая частота света vMHH, под
действием которого происходит фотоэффект, определяется, очевидно, из
условия
hvma = A, (15.20)
откуда
vmhh = A/h. (15.20а)
Частота света, определяемая условием (15.20а), называется
"красной границей" фотоэффекта. Слово "красная" не имеет ника-
кого отношения к цвету света, при котором происходит фотоэффект.
В зависимости от рода металлов "красная граница" фотоэффекта может
соответствовать красному, желтому, фиолетовому, ультрафиолетовому свету и
т. д.
С помощью формулы Эйнштейна можно объяснить и другие закономерности
фотоэффекта.
Положим, что 1/д- Рк <0, т. е. между анодом и катодом существует
тормозящий потенциал. Если кинетическая энергия электронов достаточна, то
они, преодолев тормозящее поле, создают фототок. В фототоке участвуют те
