25.4 Закони фотоефекту
Перший закон фотоефекту
1. Установлює, від чого залежить кількість вибитих фотоелектронів при зовнішньому фотоефекті.
2. Визначення. Кількість вибитих фотоелектронів при явищі зовнішнього фотоефекту прямо пропорційна інтенсивності електромагнітного випромінювання.
3
.
Математичний опис. На рисунку 25.3
зображено установку для отримання й
вольт-амперна характеристика явища
фотоефекту (вольт-амперна характеристика
– це графік залежності сили струму І
від напруги U) яка пояснює 1 закон
фотоефекту. Під Iн1; Ін2
розуміють струми насичення – це
величина сили струму, при
якій усі фотоелектрони,
утворені за одиницю часу, досягають
аноду. Чим більша інтенсивність світла,
тим більший струм насичення. Із графіків
(1) і (2) видно, що у другому
випадку інтенсивність світла більша.
Цей закон можна пояснити як квантовою, так і хвильовою теорією світла.
а) Квантова теорія. Електрон може поглинути тільки один електромагнітний квант тієї самої енергії hν, бо він набагато раніше втрачає набуту енергію (стикаючись з іонами), ніж поглине ще один квант. Тому один електромагнітний квант може вибити з поверхні речовини тільки один електрон.
Якщо збільшити інтенсивність світла, то збільшується кількість квантів, це приводить до зростання кількості фотоелектронів і як наслідок зростає струм насичення.
б) Хвильова теорія. Інтенсивність світла – це амплітуда електромагнітних хвиль. Збільшуючи інтенсивність, збільшують енергію хвилі, а отже, і кількість фотоелектронів.
4. Межі застосування. Закон застосовують для опису явища фотоефекту.
Другий закон фотоефекту
1. Установлює, від чого залежить максимальна кінетична енергія фотоелектронів при явищі зовнішнього фотоефекту.
2
.
Визначення. Максимальна кінетична
енергія вибитих фотоелектронів лінійно
зростає з ростом частоти електромагнітного
випромінювання, яке викликає явище
фотоефекту.
* Від частоти залежить колір світла.
3. Математичний опис. Цей закон можна пояснити тільки квантовою теорією світла. Енергія кванта світла (hn) іде на роботу виходу фотоелектронів з поверхні металу (А) й на надання йому кінетичної енергії (Wmax) (Рисунок 25.4а).
Зі збільшенням частоти світла енергія його квантів зростає. Проте інтенсивність світла не збільшує енергію квантів. Тому світло з малою частотою електромагнітної хвилі фотоефект не викликає, яким би яскравим воно не було.
Другий закон фотоефекту можна пояснити за допомогою графіка вольт - амперної характеристики фотоефекта Так на рисунку 25.4б представлено два графіки, для великої (1) й малої (2) частоти світла однакової інтенсивності. Те, що інтенсивність у них однакова, пояснюється збігом їх струмів насичення. А про максимальну кінетичну енергію фотоелектронів можна говорити на основі затримуючої напруги (Uз), бо hν=A+eUз. З графіків видно, що для першого випромінювання вона більша за модулем (Uз1 >Uз2 ), а це означає, що частота поглинутого випромінювання в першому випадку більша, ніж у другому.
4. Межі застосування. Застосовують для описування явища фотоефекту.
Третій закон фотоефекту, або червона межа фотоефекту lч(ф.в.)
1. Червона межа фотоефекту – це характеристика властивостей речовини, яка показує її придатність до фотоефекту.
2. Визначення. Червона межа фотоефекту – це найбільша довжина електромагнітної хвилі, при якій спостерігають явище фотоефекту.
3. Червона межа фотоефекту – це скалярна величина.
4.
hν=A+Wmax;
Wmax=0;
hνч=A;
с=λνч;
;
→
.
5. [l]= м.
*Якщо опромінювання поверхні речовини проводиться лазером, то один електрон може поглинути два абсолютно однакові електромагнітні кванти (і більше). У цьому разі закони фотоефекту порушуються. Це відбувається тому, що два електромагнітні кванти з сумарною енергією 2hν поводять себе так, як один квант з подвійною частотою h(2υ), а це означає, що частота світла ніби подвоюється й умова червоної межі не буде виконуватися.
Четвертий закон фотоефекту
Фотоефект - безінерційне явище, тобто вибивання фотоелектронів відбувається відразу після попадання випромінювання з частотою ν≥νч на речовину. Ця властивість зовнішнього фотоефекту є ще одним підтвердженням квантової природи взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною. Згідно з класичними хвильовими уявленями потрібний досить тривалий час, щоб хвилі заданої інтенсивності могли передати енергію електрону, достатню для виконання ним роботи виходу.