Внешний фотоэффект. Уравнение Эйнштейна.

Фотоэлектрические явления возникают при поглощении веществом электромагнитного излучения оптического диапазона. К этим явлениям относится и внешний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

Явление внешнего фотоэффекта открыто в 1887 г. Герцем, а детально исследовано Столетовым. Теория фотоэффекта на основе квантовых представлений создана Эйнштейном.

Явление фотоэффекта получило широкое практическое применение. Приборы, в основе принципа действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами. Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют энергию излучения в электрическую лишь частично. Так как эффективность преобразования небольшая, то в качестве источников электроэнергии фотоэлементы не используют, но зато применяют их в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

Внутренний фотоэффект используют в фоторезисторах. Вентильный фотоэффект, возникающий в полупроводниковых фотоэлементах с p-n переходом, используется для прямого преобразования энергии излучения в электрическую энергию (солнечные батареи).

 

Экспериментальное изучение фотоэффекта

Исследование явления внешнего фотоэффекта можно проводить с помощью установки, схема которой изображена на рисунке 3.

Катод через кварцевое стекло освещается светом. Под действием света из катода вырываются электроны (называемые фотоэлектронами), которые летят к аноду (положительно заряженному электроду) и образуют фототок, регистрируемый миллиамперметром

С помощью такой установки, используя электроды, изготовленные из разных материалов, снимались вольт-амперные характеристики (ВАХ) при различных значениях падающего светового потока Ф. ВАХ - зависимость силы фототока I от напряжения U между электродами (анодом и катодом). Вид такой зависимости представлен на рисунке 4.

Из вольт-амперной характеристики видно, что:

при отсутствии напряжения между электродами фототок отличен от нуля. Следовательно, фотоэлектроны при вылете с поверхности обладают кинетической энергией.

формула Эйнштейна для фотоэффекта: Энергия кванта, по предпо­ложению Эйнштейна, усваивается электроном целиком. Часть этой энергии, равная работе выхода A, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Остаток энергии переходит в кинетическую энергию электрона. По закону сохранения энергии

где Aout — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), — кинетическая энергия вылетающего электрона, ν — частота падающего фотона с энергией hν, h — постоянная Планка.

 

Опыт Боте. Фотоны.

Эйнштейн выдвинул гипотезу, что свет распространяется в виде дискретных частиц, названных первоначально световыми квантами. Впоследствии эти частицы получили название фотоны. Таким образом, фотоны - световые кванты.

Наиболее непосредственное подтверждение гипотезы Эйнштейна дал опыт Боте. Тонкая металлическая фольга помещалась между двумя газозярядными счетчиками. Фольга освещалась слабым пучком рентгеновских лучей, под действием которых она сама начинала испускать рентгеновские кванты, которые фиксировались счетчиками. При попадании в него рентгеновских лучей счетчик срабатывал и приводил в действие особый механизм М, делавший отметку на движущейся ленте Л. Если бы излучаемая энергия распространялась равномерно во все стороны, оба счетчика должны были срабатывать одновременно и отметке на ленте приходились бы одна против другой. В действительности же наблюдалось совершенно беспорядочное расположение отметок. Это можно объяснить лишь тем, что в отдельных актах излучения возникают световые частицы - фотоны, летящие то в одном, то в другом направлении.

Это и доказывает существование особых световых частиц – фотонов. Фотон, подобно всем частицам обладает определенной порцией энергии E=hn. Энергию фотона часто выражают не через частоту n, а через циклическую частоту w=2pn, при этом в качестве коэффициент пропорциональности вместо величины h используют величину (аш с чертой), равную: .Тогда энергия фотона записывается так: E=hn= w. Согласно теории относительности энергия связана с массой соотношением E=mc². Так как энергия фотона равна hn, то его масса определяется по формуле: .

Найдем импульс фотона: . Импульс фотона направлен по световому лучу.

Из квантового соотношения E= w. И общих принципов теории относительности вытекает, что

масса фотона равна нулю,

фотон всегда движется со скоростью света с

Это означает, что фотон представляет собой частицу особого рода, отличную от таких частиц, как электрон, протон и т.п., которые могут существовать, двигаясь со скоростями,, меньшими с, и даже покоясь.