Фотоэффект - это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.
Такой фотоэффект называют внешним. Именно о нем мы будем говорить в этой главе. Есть еще и внутренний фотоэффект. (см. лекцию 13, § 2).
В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц обнаружил, что ультрафиолетовый свет, освещающий отрицательный электрод в разряднике, облегчает прохождение разряда. В 1888-89 гг. русский физик А. Г. Столетов занимается систематическим исследованием фотоэффекта (схема его установки приведена на рисунке). Исследования проводились в атмосфере газа, что сильно усложняло происходившие процессы.
Рис. 3.1
Столетов обнаружил, что:
1) наибольшее воздействие оказывают ультрафиолетовые лучи;
2) сила тока возрастает с увеличением интенсивности света, освещающего фотокатод;
3) испущенные под действием света заряды имеют отрицательный знак.
Дальнейшие исследования фотоэффекта производились в 1900-1904 гг. немецким физиком Ф. Ленардом в наивысшем достигнутом в то время вакууме.
Ленарду удалось установить, что скорость вылетающих из фотокатода электронов не зависит от интенсивности света и прямо пропорционально его частоте. Так родилась проблема фотоэффекта. Объяснить результаты опытов Ленарда на основе электродинамики Максвелла было невозможно!
На рисунке 3.2 изображена установка, позволяющая детально изучать фотоэффект.
Рис. 3.2
Электроды, фотокатод и анод, помещены в баллон, из которого откачан воздух. Свет на фотокатод подается через кварцевое окошко. Кварц, в отличие от стекла, хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи. Разность потенциалов (напряжение) между фотокатодом и анодом измеряет вольтметр. Ток в цепи анода измеряется чувствительным микроамперметром. Для регулировки напряжения батарея питания подключена к реостату со средней точкой. Если движок реостата стоит против средней точки, подсоединенной через микроамперметр к аноду, то разность потенциалов между фотокатодом и анодом равна нулю. При смещении движка влево, потенциал анода становится отрицательным относительно катода. Если движок реостата сдвигать вправо от средней точки, то потенциал анода становится положительным.
Вольт-амперная характеристика установки по изучению фотоэффекта позволяет получить информацию об энергии электронов, испускаемых фотокатодом.
Вольт-амперная характеристика - это зависимость фототока i от напряжения между катодом и анодом U. При освещении светом, частота v которого достаточна для возникновения фотоэффекта, вольт-амперная характеристика имеет вид графика, изображенного на рис. 3.3:
Рис. 3.3
Из этой характеристики следует, что при некотором положительном напряжении на аноде фототок i достигает насыщения. При этом все электроны, испущенные фотокатодом в единицу времени, попадают за это же время на анод.
При U = 0 часть электронов долетает до анода и создает фототок i0. При некотором отрицательном напряжении на аноде - Uзад - фототок прекращается. При этом значении напряжения максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона у фотокатода (mv2max)/2 полностью расходуется на совершение работы против сил электрического поля:
В этой формуле me - масса электрона; vmax - его максимальная скорость у фотокатода; e - абсолютное значение заряда электрона.
Таким образом, измерив задерживающее напряжение Uзад, можно найти кинетическую энергию (и скорость электрона) сразу после его вылета из фотокатода.
Опыт показал, что
1) энергия вылетевших из фотокатода электронов (и их скорость) не зависела от интенсивности света! При изменении частоты света v меняется и Uзад, т.е. максимальная кинетическая энергия электронов, покидающих фотокатод;
2) максимальная кинетическая энергия электронов, у фотокатода, (mv2max)/2, прямо пропорциональна частоте v света, освещающего фотокатод.