Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а так же в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Фотоэффект обнаружен Герцем в 1887 году, наблюдавшим усиления процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением.

Опыты Герца продолжил русский ученый А.Г. Столетов.

Он предложил следующую схему для исследования фотоэффекта (рис.40.1):

цинковая пластинка, медная сетка, гальванометр и источник света.

Рис. 40.1

 

А.Г. Столетов установил ряд закономерностей:

1. При отсутствии освещения ток не регистрировался гальванометром;
2. Если освещается пластинка, присоединенная к отрицательному полюсу источника, то в цепи появляется ток.
3. Если поменять полюса батареи местами, то ток в цепи будет отсутствовать;
4. Если вместо цинковой пластины поставить железную, то фотоэффект не наблюдается.

Учитывая это, А.Г. Столетов сделал вывод, что фотоэффект зависит от рода вещества и спектрального состава падающего света.

А. Г. Столетов предположил, что свет выбивает из цинковой пластины отрицательно заряженные частицы, которые участвуют в проводимости между цинковой пластинкой и медной сеткой.

 

Для дальнейшего исследования внешнего фотоэффекта Столетов использовал более совершенную установку, в которой было устранено влияние молекул воздуха.

Рис. 40.2. Установка для изучения явления внешнего фотоэффекта

 

Два электрода (катод – из исследуемого металла и анод) находятся в вакуумной трубке, подключенной к источнику. С помощью потенциометра можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко – оно дает большое излучение), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. По мере увеличения U  фототок  I постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов, вырванных из катода, достигают анода.

Опыты показали:

1) при отсутствии освещения ток в цепи фотоэлемента отсутствует не зависимо от величины напряжения на фотоэлементе.

2) если напряжение на фотоэлементе нулю, а -К – освещается, то в цепи появляется малый ток I _0.

Если увеличивать напряжение на фотоэлементе и освещать –К (катод), то ток в цепи будет нарастать до насыщения.

3) Если на –К (катод) подать плюс, а на –А (анод) минус, то с увеличением напряжения по абсолютной величине ток уменьшается и при некотором значении напряжения станет равным нулю.

Данная установка приведена для исследования вольтамперной характеристики фотоэффекта, т.е. зависимости фототока I, образуемого потокам электронов, испускаемых катодом под действием света от напряжения между электродами.

Итак, под действием падающего света с поверхности катода вырываются электроны и устремляются к аноду. Чем больше напряжение на фотоэлементе, тем больше вырванных электронов увлекаются к аноду.

Пологий характер кривой показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями.

Наконец, при некотором U _нас. все электроны, испускаемые катодом, достигают анода.

При этом ток достигает предельного значения I_нас. фототок насыщения и при дальнейшем повышении напряжения, I_нас. уже не изменяется.

,

(40.1)

где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 секунду.

Из ВАХ следует (рис. 40.2), что при U=0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью υ, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля.

Рис. 40.3. Вольт-амперная характеристика фотоэффекта

Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U₀ при U=U_0. 

При U₀=0 ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью υ_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно:

.

(40.2)

Т.е., измерив задерживающееся напряжение U _0, можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов:

                (40.3)

 

На основании этих опытов было установлено три закона внешнего фотоэффекта:

1. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света:

.

(40.3)

2. Максимальная начальная скорость υ _max (максимальная начальная W_{k max}) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

3.Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν₀ света, при которой еще возможен фотоэффект.

 

Эта частота зависит от материала катода и состояния его поверхности.

Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей.

Действительно, под действием поля световой волны в металле возникает вынужденные колебания электронов, амплитуда которых, например, при резонансе, может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл; тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого из металла электрона должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, с увеличением интенсивности электрону передавалась бы большая энергия.

Однако этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.

По волновой теории, энергия, передаваемая электронами, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла, иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит третьему закону фотоэффекта.

Кроме того, волновая теория не смогла объяснить безынертность фотоэффекта, установленную опытами.