Фотоэффект

Иллюстрация выбивания фотоэлектронов из металлической пластины.

Фотоэффект - явление "выбивания" светом электронов с металлов.

Чтобы высвободить электрон из металла ему необходимо передать энергию, превышающую работу выхода.

Теоретическое объяснение явления дал Альберт Эйнштейн, за что получил Нобелевскую премию. Эйнштейн использовал гипотезу Макса Планка о том, что свет излучается порциями ( квантами) с энергией, пропорциональной частоте.

Предположив, что свет и поглощается такими же порциями, он смог объяснить зависимость скорости выбитых электронов от длины волны облучения.

,

где ν - частота света, h - постоянная Планка, m - масса электрона, v - его скорость, A - работа выхода.

Работа Эйнштейна имела большое значение для развития идей квантовой механики вообще и квантовой оптики частности.

1. История исследования фотоэффекта

Впервые прямое влияние света на электричество обнаружил немецкий физик Генрих Герц во время опытов с электроискровой вибраторами. Герц установил, что заряженный проводник, будучи освещен ультрафиолетовыми лучами, быстро теряет свой ​​заряд, а электрическая искра возникает в искровом промежутке при меньшей разности потенциалов. Замечено явление было описано Герцем в его статьях 1887-1888 годов, но оставлено им без объяснения, поскольку физическую природу его он не знал. Не сумели правильно объяснить действие света на заряды и немецкий физик Гальвакс, и итальянский физик Риги, и английский физик Лодж, который, демонстрируя в 1894 году опыты Герца в своей знаменитой лекции "Творение Герца", лишь предположил химическую природу явления. И это неудивительно: электрон будет открыт Джозефом Джоном Томсоном лишь в 1897 году, а без упоминания об электроне объяснить фотоэффект невозможно.

Однако 26 февраля 1888 заслуженно считается одним из замечательных дней в истории науки и техники и, в частности, телевидения. В этот день великий русский ученый Александр Григорьевич Столетов (1839-1896) блестяще осуществил опыт, наглядно продемонстрировавший внешний фотоэффект и показал истинную природу и характер влияния света на электричество.

Первые опыты со светом А.Г. Столетов проводил с обычным электроскопом. Освещая электрической дугой Петрова цинковую пластину, заряженную отрицательно и соединенную с электроскопом, он обнаружил, что заряд быстро исчезал. Положительный же заряд не уничтожался.

Предположим, что при облучении светом с поверхности вылетают электроны. Тогда при освещены негативной цинковой пластинки электроны вылетают и еще дополнительно отталкиваются электрическим полем пластинки. Поэтому отрицательный заряд быстро исчезает. Другое дело с положительным зарядом. Если электрон и вылетел, то его с одной стороны притягивает электрическое поле пластинки, с другой его вылет не уменьшает, а увеличивает положительный заряд пластинки.

Этот эффект был назван А. Г. Столетова активно-электрическим разрядом. Электронная природа фотоэффекта была показана в 1899 году Дж. Дж. Томсоном и в 1900 году Ленард.

Для постановки точных опытов Столетов создал экспериментальный прибор, ставший прообразом современных фотоэлементов. Прибор состоял из двух плоскопараллельных дисков, один из которых был сетчатый и пропускал световое излучение.

К дискам вставала напряжение от 0 до 250 В, причем до сплошного диска подключался отрицательный полюс батареи. При освещении сплошного диска ультрафиолетовым светом включен в круг чувствителен гальванометр отмечал протекание тока, несмотря на наличие воздуха между дисками. Продолжая опыты, А. Г. Столетов установил зависимость фототока от величины напряжения батареи и интенсивности светового пучка. Дальнейшие работы привели к созданию первого в мире фотоэлемента, который был стеклянным баллоном с кварцевым окном для пропускания ультрафиолетовых лучей. Внутрь баллона помещались электроды, один из которых был чувствителен к свету, газ откачивался. Современные фотоэлементы отличаются от первого лишь конструкцией электродов и их структурой.

2. Три закона фотоэффекта

1. Количество фотоэлектронов прямо пропорциональна интенсивности света.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте света.
3. Для каждого вещества существуют пороговые значения частоты и длины волны света, которые соответствуют грани существования фотоэффекта; свет с меньшей частотой и большей длиной волны фотоэффекта не вызывает.

Поскольку это пороговое значение всегда ближе к красному свету, то ему дали название красная граница фотоэффекта.

Понятно, что красная граница фотоэффекта существует благодаря притяжения электронов к ядрам. Вместе с тем, последний закон нельзя объяснить на основе представления о свете как непрерывные плавные колебания в вакууме-эфире: такие волны должны долго раскачивать электроны до того момента, когда скорость последних стала достаточной для отрыва от металла.

Полное объяснение фотоэффекта принадлежит Альберту Эйнштейну, который использовал идею немецкого физика Планк о том, что свет излучается и распространяется отдельными порциями - квантами (или другое название фотоны). Для вычисления энергии кванта света Макс Планк предложил простую формулу ε = hν.

Эйнштейн предположил, что фотоэффект происходит вследствие поглощения фотоном одного кванта, а другие кванты не могут участвовать в этом процессе. Тогда энергия одного кванта света (фотона) расходуется на преодоление барьера (выполнения работы выхода, отрыва от материала) и предоставление кинетической энергии фотоэлектронов.

Это позволило ему записать закон сохранения энергии для процесса - приведенное выше уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

См.. также

• Фотопроводимость
• Корпускулярно-волновой дуализм