Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
зарядки электрометра (вместо электрометра можно взять чувствительный гальванометр) можно определить силу электрического тока в цепи, а с ней и количество фотоэлектронов, достигающих анода в единицу времени. Опыты подобного рода в
14
КВАНТЫ СВЕТА
[ГЛ. I
ранних исследованиях производились в газах. Но их лучше производить в вакууме, так как газ только осложняет явления, происходящие в поверхностном слое металла.
Фотоэффект с данного вещества сильно зависит от состояния его поверхности. Для получения однозначных результатов исследование этого явления необходимо производить в хорошем вакууме, предварительно тщательно очистив поверхность исследуемого тела. Перед помещением электродов в прибор материал, служащий катодом, подвергают перегонке в вакууме, а затем наносят тонким слоем на какую-либо подложку.
Если при постоянных интенсивности и частоте падающего света менять напряжение V между анодом и катодом, то зависимость. фототока І от V представится кривой, схематически изображенной на рис. 2. Она называется характеристикой фотоэлемента, т. е. того прибора, в котором наблюдается фотоэффект. При увеличении напряжения характеристика переходит в горизонтальную прямую, которой соответствует максимальный ток. Он называется током насыщения. Насыщение достигается тогда, когда все электроны, вырванные светом с поверхности катода, попадают на анод. Дальнейшее повышение напряжения не меняет силу фототока: она определяется только количеством ежесекундно вырываемых электронов.
Существование тока насыщения экспериментально было установлено А. Г. Столетовым. Им же было доказано на опыте, что ток насыщения строго пропорционален интенсивности падающего света, если только частота его остается постоянной. Точнее, ток насыщения пропорционален интенсивности поглощаемого света. Однако последняя в свою очередь пропорциональна интенсивности падающего света, а потому в формулировку закона и входит интенсивность того же света. Кроме того, закон пропорциональности Столетова строго соблюдается лишь при условии, когда ток насыщения образован только электронами, освобожденными светом с светочувствительной поверхности тела. Для этого светочувствительная поверхность должна помещаться в вакууме. В газонаполненных приборах могут наблюдаться заметные отступления от простой пропорциональности. Такие приборы обычно чувствительнее вакуумных, так как в них к току электронов, освобожденных светом со светочувствительной поверхности тела, добавляется еще ток ионизации газа, наполняющего прибор. Поэтому газонаполненными приборами, если они применяются для измерений, надо пользоваться с осмотрительностью.
3. Можно было бы попытаться дать качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения. Свободные электроны, в изобилии имеющиеся в металле, удерживаются в нем задерживающим полем, существующим на границе металла. Работа выхода электрона из металла составляет несколько электрон-
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
15
вольт. В электрическом поле световой волны свободный электрон приходит в колебания. Когда энергия колебаний сделается достаточно большой, электрон может преодолеть задерживающее поле и уйти за пределы металла. Если же электрон связанный, то все будет происходить аналогично, но зависимость энергии колебаний от частоты будет носить более сложный, резонансный характер.
Однако такое объяснение не согласуется с опытом. Кинетическая энергия колеблющегося электрона заимствуется от световой волны. Казалось бы, что энергия вылетевшего электрона должна быть тем больше, чем больше интенсивность падающего света. Но опыты Ленарда и многочисленные исследования других ученых показали, что максимальная скорость, с которой электроны вылетают из тела, от интенсивности падающего света совсем не зависит, а определяется только его частотой. (Пред--полагается, что материал тела и состояние освещаемой поверхности остаются неизменными.)
Другое резкое расхождение с опытом получится, если на основе приведенного объяснения оценить время возникновения фотоэффекта. Действительно, возьмем, например, электрическую лампочку мощностью Р — 100 Вт. Для простоты будем считать ее точечным и изотропно излучающим источником света. По классической волнобой теории поток лучистой энергии распространяется от источника света непрерывно во все стороны. Пусть свет падает нормально па плоский фотокатод из цинка, расположенный на расстоянии г от лампочки. Энергетическая освещенность, создаваемая лампочкой на фотокатоде, будет Р/(4пг2). Работа выхода электрона А из цинка составляет около 3,74 эВ'. Ясно, что для выхода электрона из металла энергия, накопленная им при вынужденных колебаниях, должна быть не меньше А. Максимальная энергия, которую может получить атом от излучения за время t, составляет <^макс = = (P/Anr2) at, где а — поперечное сечение атома. Энергия, переданная электрону за то же время, меньше <^Макс. Но она должна быть не меньше А, чтобы электрон мог выйти из металла, т. е. S*макс > А, а потому должно быть t > (4nrs/aP)A. Среднее расстояние между атомами цинка найдется по формуле d = = (Л1 /6Л/а) 1/3, где N а — постоянная Авогадро, М — молярная масса, 6—плотность цинка. Для цинка М = 65 г/моль, 6 — = 7 г/см3, а следовательно, d = 2,49-10~8 см. Сечение ст можно оценить по формуле ст « d2 « 6-Ю-16 см2. Если положить еще г — 1 м, то получится t 1,25 с. Таким образом, по классической волновой теории фотоэффект должен протекать с запаздыванием. Если учесть, что фотоэлементы реагируют на значительно более слабые световые потоки, чем в нашем примере, то и запаздывание фотоэффекта может получиться много больше того, которое мы вычислили. Между тем опыт показывает, что
