Лабораторная работа № 18 (часть 1). Фотоэффект.

1. Краткая теория

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Г.Герцем (1887 г.). Теория фотоэффекта была развита А.Эйнштейном (1905 г.) на основе квантовых представлений. Классическая волновая теория света оказалась неспособной объяснить закономерности этого явления.

Согласно квантовым представлениям, свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами), энергия Е кванта пропорциональна частоте :

E=h,

где Дж*c - постоянная Планка.

Часть энергии кванта затрачивается на работу выхода А электрона из металла, а остальная часть идет на сообщение электрону кинетической энергии (максимально возможной при данной частоте и энергии поглощенного кванта света):

(уравнение Эйнштейна для фотоэффекта).

Работой выхода называется наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из металла в вакуум. Когда работа выхода А превышает энергию кванта, электроны не могут покинуть металл. Значит, фотоэффект начинается при некоторой минимальной частоте _min (или максимальной длине волны λ_max), которая называется "красная граница фотоэффекта":

или .

У щелочных металлов красная граница лежит в диапазоне видимого света.

Уравнение фотоэффекта объясняет основные закономерности:

1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально световому потоку.

Световым потоком называют количество квантов света, падающих на поверхность в единицу времени. При h  A каждый из квантов вырывает электрон из катода приведенного на рисунке прибора.

По мере увеличения разности потенциалов (напряжения) между анодом и катодом все больше электронов достигает анода, ток в цепи растет. Полученная зависимость силы фототока I от напряжения U между электродами показывает, что фототок достигает насыщения, то есть все электроны, вырванные из катода, достигают анода. Опыт показывает, что сила тока насыщения пропорциональна падающему световому потоку.

Из рисунка видно, что при U = 0 часть электронов достигает анода, имея достаточно высокую кинетическую энергию.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света  и не зависит от падающего светового потока.

Если между фотокатодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения анодный ток прекращается. Величина определяется соотношением

.

Зная , можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов и их максимальную скорость.

Масса электрона m_e = 9,1·10^-31 кг.

Заряд электрона e = 1,6·10^-19 Кл.

Энергия 1 эВ = 1,6·10^-19 Дж.

2. Исследование фотоэффекта

Компьютерная модель, которая используется в работе, соответствует установке для наблюдения фотоэффекта в условном веществе с одним и тем же определенным значением работы выхода (цезий; бериллий, покрытый слоем цезия; платина, покрытая слоем бария; вольфрам, покрытый слоем калия; вольфрам, покрытый слоем оксида бария; карбид гафния и др.).