Внешний фотоэффект и его законы. Уравнение Энштейна для фотоэффекта

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов металлом под действием света. Выбитые под действием света электроны назвыются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими в цепи, называется фототоком. Фотоэффект был открыт Герцем в 1887 году. Изучая влияние света на протекание электрических процессов, учёный заметил, что проскакивание электрической искры между заряженными цинковыми шариками значительно облегчается, если один из них осветить ультрафиолетовых светом.

Подробное изучение влияния света на заряжённые тела было проведено А.Г. Столетовым. Одновременно фотоэлектрическое явление было изучено английским физиком Гальваксом. Столетов установил следующие основные закономерности, которым подчиняется фотоэффект:

1)пластина теряет заряд только в том случае, если она заряжена отрицательно; заряд пластины не пропадает под влиянием света, если она заряжена положительно;

2)явление вызывается прнимущественно ультрафиолетовым светом;

3)разряжающее действие лучей пропорционально их энергии;

4)разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причём между моментом освещения и началом разряда не протекает заметного времени.

Для более детального узучения и установления законов фотоэфекта Столетов и другие исследователи использовали следующую установку. Металлическая пластинка (катод) Р Подсоединена к отрицательному полюсу батареи В, второй полюс подсоединён через гальванометр к аноду N. Оба электрода помещены в баллон из которого выкачан воздух. При освещении катода светом из него освобождаются фотоэлектроны, которые попадают в электрическое полемежду катодом и анодом. Изучая вольт-амперные характеристики при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода, обобщения полученных данных были установлены следующие законы фотоэффекта:

1)Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется его частотой.

2)Для каждого металла существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (максимальная длина волны), зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

3)При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещённости катода):

IН=b*Ф

где b – интегральная чувствительность фотокатода.

4)Фотоэффект безынерционен.

Формула Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Исходя из теории Планка о квантах, Эйнштейн предложил квантовую теорию фотоэффекта. Эйнштейн предположил, что свет не только излучается квантами, но и распространяется, и поглощается отдельными неделимыми порциями – квантами. Кванты представляют собой частицы с нулевой массой покоя, которые движутся в вакууме со скоростью С=3*108 м/с. Эти частицы получили название фотонов. Энергия квантов Е=hv.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно бытьь пропорционально числу поглрщённых фотонов, т.е. пропорционально интенсивности света. Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода (А) из металла ина сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии (mV²max/2). По закону сохранения энергии:

hv=A+mV²max/2. Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

 

Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью α-частиц. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Скорость α-частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы и не в состоянии заметно изменить его скорость. Рассеяние (изменение направления движения) α-частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α-частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра 1, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок α-частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния α-частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.

При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно интенсивное электрическое поле, способное отбросить а-частицу назад. Максимальная сила отталкивания определяется по закону Кулона:

где qα — заряд α-частицы; q — положительный заряд атома; r — его радиус; k — коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому, чем меньше радиус r, тем больше сила, отталкивающая α-частицы. Эта теория кажется совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеиванию а-частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование.

В действительности ничего подобного не происходит. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы. Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атома.