Внешний фотоэлектрический эффект - вырывание электронов из вещества под действием света.
Внешний фотоэффект был открыт Герцем в 1887 г., а детально исследован А.Г. Столетовым в 1888 г. Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рисунке:
Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта.
В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ, и при неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения.
Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока (Iнас ~ Ф).
Iн₁ и Iн₂ – токи насыщения, Uз – запирающий потенциал.
Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода.
Когда напряжение на аноде отрицательно (запирающее), электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анод могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает |eU|. Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекращается. Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:
Закономерности внешнего фотоэффекта легко объяснить, если учесть корпускулярную природу света.
Законы фотоэффекта
1. Фототок насыщения (число электронов, вырываемых в единицу времени) пропорционален мощности падающего излучения (Iнас ~ Ф).
2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности (V ~ ν).
3. Фотоэффект наблюдается только при облучении светом с частотой ν > νкр, где νкр критическая частота, называемая красной границей фотоэффекта, зависит от химической природы вещества и состояние его поверхности.
Длинноволновая граница фотоэффекта:
где с – скорость света.
4. Фотоэффект практически безынерционен, т.е. нет запаздывания между началом освещения и появлением фотоэлектронов.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта выражает закон сохранения энергии.
Энергия кванта, поглощённая электроном, идет частично на работу выхода электрона из металла Авых, а остаток уносится электроном в виде кинетической энергии:
Минимальная частота νкр (или максимальная длина волны λкр) света, соответствующие красной границе фотоэффекта, связаны с работой выхода следующим образом:
