Внешний фотоэлектрический эффект

Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд.

В 1887 г. Г. Герц обнаружил, что при действии на отрицательный электрод вибратора ультрафиолетового излучения разряд между электродами происходит при меньшем напряжении, чем в отсутствие такого излучения. В 1888—1890 гг. А. Г. Столетов тщательно исследовал это явление и установил, что под действием излучения из металлического катода выбиваются отрицательно заряженные частицы. В 1898 г. Дж. Томсон, измерив удельный заряд частиц, испускаемых под действием света, установил, что эти частицы являются электронами.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называют фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом). Для наблюдения фотоэффекта присоединим цинковую пластину П к электрометру Э. Зарядим цинковую пластину отрицательно с помощью эбонитовой палочки, потертой о мех (рисунок 7.1).

Осветим пластину электрической дугой. При этом можно видеть, что заряд электрометра постепенно уменьшается.

Повторим опыт, зарядив цинковую пластину положительно с помощью стеклянной палочки, потертой о шелк. Даже при длительном освещении пластины стрелка электрометра остается неподвижной — электрометр не разряжается. Таким образом, под действием света разряжаются только отрицательно заряженные металлы.

Следовательно, при некоторых условиях свет вырывает электроны из металла.

Снова зарядим пластину отрицательно. Будем приближать пластину к дуге. При этом замечаем, что разряд происходит тем быстрее, чем ближе дуга к пластине и, следовательно, больше интенсивность падающего света.

Заменив цинковую пластину медной (затем свинцовой), осветим ее электрической дугой. Разряд электрометра при этом происходит медленее. Значит, скорость разряда электрометра зависит от вида освещаемого вещества.

Зарядив цинковую пластину отрицательно, осветим ее лампой накаливания.

Фотоэффект отсутствует и не возникает, даже если приблизить лампу к пластине. Включим электрическую дугу — электрометр будет разряжаться. Перекроем свет от дуги стеклянной пластиной. Проходящий сквозь стекло свет также не оказывает действия на отрицательный заряд цинковой пластины. Стекло не пропускает ультрафиолетовое излучение. Значит, фотоэффект возникает при облучении цинковой пластины ультрафиолетовым излучением и не наступает при облучении светом лампы накаливания (видимым излучением).

Продолжим изучать закономерности фотоэффекта с помощью установки, схема которой изображена на рисунке 7.2. Катод К вакуумной трубки освещается монохроматическим светом, проходящим в трубку сквозь окно D. Напряжение между катодом К и анодом А, измеряемое вольтметром V, можно изменять с помощью потенциометра. Сила тока в цепи измеряется миллиамперметром. Исследуем зависимость силы тока от напряжения.

График зависимости силы тока I от напряжения U представлен на рисунке 7.3.

Как зависят сила тока насыщения и запирающее напряжение от интенсивности света, которым освещается катод? Исследования показали, что сила тока насыщения пропорциональна интенсивности света, а запирающее напряжение не зависит от интенсивности света и определяется только частотой света.

Перечисленные экспериментальные факты позволили сформулировать следующие законы фотоэффекта(посмотреть опыт):

Число электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
Максимальная кинетическая энергия вырванных светом электронов пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности.
Для каждого вещества существует минимальная частота, ниже которой фотоэффект не наблюдается .

Эту частоту (или длину волны) называют красной границей фотоэффекта. Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе электромагнитной теории света. В самом деле, согласно этой теории электроны из металла вырываются в результате их «раскачивания» в электрическом поле световой волны. Однако в таком случае непонятно, почему максимальная кинетическая энергия электронов зависит от частоты, а не от амплитуды колебаний вектора напряженности Е электрического поля волны и, следовательно, от интенсивности света (энергии, падающей на единицу поверхности электрода в единицу времени). Нельзя объяснить и существование красной границы фотоэффекта. Казалось бы, увеличивая интенсивность света, можно увеличить амплитуду колебаний электрона и сообщить ему энергию, необходимую для вырывания из металла. Однако красная граница определяется только частотой света и не зависит от его интенсивности. Все эти трудности в объяснении законов фотоэффекта были преодолены после разработки квантовой теории света.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое фотоэффект?

2. Опишите опыты, в которых можно наблюдать явление фотоэффекта.

3. Сформулируйте законы фотоэффекта.

4. Что такое красная граница фотоэффекта?

5. Почему волновая теория света не могла обьяснить законы фотоэффекта?