27 Питання

Види фотоефекту. Закони зовнішнього фотоефекту

Гіпотеза Планка, блискуче вирішила завдання теплового випромінювання абсолютно чорного тіла, отримала підтвердження і подальший розвиток при поясненні фотоефекту - явища, відкриття і дослідження якого зіграло важливу роль в становленні квантової теорії. Розрізняють фотоефект зовнішній, внутрішній і вентильний. Зовнішнім фотоелектричним ефектом (фотоефектом) називається випускання електронів речовиною під дією електромагнітного випромінювання. Зовнішній фотоефект спостерігається в твердих тілах (металах, напівпровідниках, діелектриках), а також в газах на окремих атомах і молекулах (фотоіонізації). Фотоефект виявлений (1887 р) Г. Герцем, хто спостерігав посилення процесу розряду при опроміненні іскрового проміжку ультрафіолетовим випромінюванням.

Перші фундаментальні дослідження фотоефекту виконані українським вченим А. Г. Столєтова. Принципова схема для дослідження фотоефекту наведена на рис. 289.

Два електрода (катод К з досліджуваного металу і анод А - в схемі Столєтова застосовувалася металева сітка) у вакуумній трубці підключені до бата реї так, що за допомогою потенціометра R можна змінювати не тільки значення, а й знак подається на них напруги. Струм, що виникає при освітленні катода монохроматичним світлом (через кварцове віконце), вимірюється включеним в ланцюг миллиамперметром. Опромінюючи катод світлом різних довжин хвиль, Столетов встановив наступні закономірності, які не втратили свого значення до нашого часу: 1) найбільш ефективна дія надає ультрафіолетове випромінювання; 2) під дією світла речовина втрачає тільки негативні заряди; 3) сила струму, що виникає під дією світла, прямо пропорційна його інтенсивності.

Дж. Дж. Томсон в 1898 р виміряв питомий заряд випускаються під дією світла частинок, (по відхиленню в електричному і магнітному полях). Ці вимірювання показали, що під дією світла вириваються електрони.

Внутрішній фотоефект - це викликані електромагнітним випромінюванням переходи електронів усередині напівпровідника або діелектрика з пов'язаних станів у вільні без вильоту назовні. В результаті концентрація носіїв струму всередині, тіла збільшується, що призводить до вознікновеніюфотопроводімості (підвищення електропровідності напівпровідника або діелектрика при його освітленні) або до виникнення е.р.с.

Вентильний фотоефект, який є різновидом внутрішнього фотоефекту, - виникнення е.р.с. (Фото-е.р.с.) При освітленні контакту двох різних напівпровідників або напівпровідника і металу (при відсутності зовнішнього електричного поля). Вентильний фотоефект відкриває, таким чином, шляхи для прямого перетворення сонячної енергії в електричну.

На рис. 289 приведена експериментальна установка для дослідження вольт-ампер ної характеристики фотоефекту - залежності фотоструму /, утвореного потоком електронів, що випускаються катодом під дією світла, від напруги U між електродами. Така залежність, відповідна двом різним освітленням Е, катода (частота світла в обох випадках однакова), наведена на рис. 290. У міру збільшення U фотострум поступово зростає, т. Е. Все більше число фотоелектронів досягає анода. Пологий характер кривих показує, що електрони вилітають з катода з різними швидкостями. Максимальне значення струму Iнас - фотострум насичення - визначається таким значенням U, при якому всі електрони, що випускаються катодом, досягають анода:

де n - число електронів, що випускаються катодом в 1 с.

З вольт-амперної характеристики слід, що при U = 0 фототок не зникає. Отже, електрони, вибиті світлом з катода, мають деякою початковою швидкістю v, а значить, і відмінною від нуля кінетичну енергію і можуть досягти анода без зовнішнього поля. Для того щоб фототек став рівним нулю, необхідно докласти затримує напруга U0. При U = U0 жоден з електронів, навіть володіє при вильоті з катода максимальною швидкістю vmax. не може подолати затримує поля і досягти анода. отже,

т. е. вимірявши затримує напруга U0. можна визначити максимальні значення швидкості і кінетичної енергії фотоелектронів.

При вивченні вольтамперних характеристик різноманітних матеріалів (важлива чистота поверхні, тому вимірювання проводяться в вакуумі і на свіжих поверхнях) при різних частотах падаючого на катод випромінювання і різних енергетичних освещенностях катода і узагальнення отриманих даних були встановлені наступні три закони зовнішнього фотоефекту.

I. Закон Столєтова. при фіксованій частоті падаючого світла число фотоелектронів, що вириваються з катода в одиницю часу, пропорційно інтенсивності світла (сила фотоструму насичення пропорційна енергетичної освітленості Її катода).

II. Максимальна початкова швидкість (максимальна початкова кінетична енергія) фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою v.

III. Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, т. Е. Мінімальна частота v0 світла (що залежить від хімічної природи речовини і стану його поверхні), нижче якої фотоефект неможливий.

Якісне пояснення фотоефекту з хвильової точки зору на перший погляд не повинно було б представляти труднощів. Дійсно, під дією поля світлової хвилі в металі виникають вимушені коливання електронів, амплітуда яких (наприклад, при резонансі) може бути достатньою для того, щоб електрони покинули метал; тоді і спостерігається фотоефект. Кінетична енергія виривається з металу електрона повинна була б залежати від інтенсивності падаючого світла, так як зі збільшенням останньої електрону передавалася б велика енергія. Однак цей висновок суперечить II закону фотоефекту. Так як, по хвильової теорії, енергія, що передається електронам, пропорційна інтенсивності світла, то світло будь-якої частоти, але досить великої інтенсивності мав би виривати електрони з металу; іншими словами, червоною кордону фотоефекту не повинно бути, що суперечить IIIзакону фотоефекту. Крім того, хвильова теорія не змогла пояснити безінерційність фотоефекту, встановлену дослідами. Таким чином, фотоефект нез'ясовний з точки зору хвильової теорії світла.

Рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту. Експериментальне підтвердження квантових властивостей світла

А. Ейнштейн в 1905 р показав, що явище фотоефекту і його закономірності можуть бути пояснені на основі запропонованої ним квантової теорії фотоефекту. Згідно Ейнштейну, світло частотою v не тільки випускається, як це передбачав Планк (див. § 200), а й поширюється в просторі іпоглощается речовиною окремими порціями (квантами), енергія яких 0 = hv. Таким чином, поширення світла потрібно розглядати не як безперервний хвильовий процес, а як потік локалізованих в просторі дискретних світлових квантів, що рухаються зі швидкістю з поширення світла у вакуумі. Кванти електромагнітного випромінювання отримали назву фотонів.

За Ейнштейну, кожен квант поглинається тільки одним електроном. Тому число вирваних фотоелектронів має бути пропорційно інтенсивності світла (I закон фотоефекту). Безінерційність фотоефекту пояснюється тим, що передача енергії при зіткненні фотона з електроном відбувається майже миттєво.

Енергія падаючого фотона витрачається на вчинення електроном роботи виходу А з металу (див. § 104) і на повідомлення вилетів фотоелектронна кінетичної енергії mv 2 max / 2. Згідно із законом збереження енергії,

Рівняння (203.1) називається рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту.

Рівняння Ейнштейна дозволяє пояснити II і III закони фотоефекту. З (203.1) безпосередньо випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає зі збільшенням частоти падаючого випромінювання і не залежить від його інтенсивності (числа фотонів), так як ні А, ні v від інтенсивності світла не залежать (II закон фотоефекту). Так як зі зменшенням частоти світла кінетична енергія фотоелектронів зменшується (для даного металу А = const), то при деякій досить малій частоті v = v0 кінетична енергія фотоелектронів стане рівною нулю і фотоефект припиниться (IIIзакон фотоефекту). Відповідно до викладеного, з (203.1) отримаємо, що

і є червона межа фотоефекту для даного металу. Вона залежить лише від роботи виходу електрона, т. Е. Від хімічної природи речовини і стану його поверхні.

Вираз (203.1) можна записати, використовуючи (202.1) і (203.2), у вигляді

Рівняння Ейнштейна було підтверджено дослідами Милликена. У його приладі (1916 г.) поверхню досліджуваного металу піддавалася очищенню в вакуумі. Досліджувалася залежність максимальної кінетичної енергії фотоелектронів (змінювалося затримує напруга U0 (див. (202.1)) від частоти v і визначалася постійна Планка. У 1926 р українські фізики П. І. Лукирський (1894-1954) і С. С. докладати зусиль для дослідження фотоефекту застосували метод вакуумного сферичного конденсатора. Анодом в їх установці служили посріблені стінки скляного сферичного балона, а катодом - кулька (R  1,5 см) з досліджуваного металу, поміщений в центр сфери. в іншому схема принципово не відрізняється від описаної на рис. 289. Така форма електродів дозволила збільшити нахил вольтамперних характеристик і тим самим більш точно визначати затримує напруга U0 (а отже, і h). Значеніеh, отримане з даних дослідів, узгоджується зі значеннями, знайденими іншими методами (за випромінюванням чорного тіла (§ 200) і по короткохвильового межі суцільного рентгенівського спектра (§ 299)). Все це є доказом правильності рівняння Ейнштейна, а разом з тим і його квантової теорії фотоефекту.

Якщо інтенсивність світла дуже велика (лазерні пучки; див. § 233), то можливий Багатофотонні (нелінійний) фотоефект, при якому електрон, що випускається метал лом, може одночасно отримати енергію не від одного, а від N фотонів (N = 27) . Рівняння Ейнштейна для багатофотонного фотоефекту

У дослідах з фокусируемое лазерними пучками щільність фотонів дуже велика, тому електрон може поглинути не один, а кілька фотонів. При цьому електрон може придбати енергію, необхідну для виходу з речовини, навіть під дією світла з частотою, меншою червоною кордону - порога однофотонного фотоефекту. В результаті червона межа зміщується в бік більш довгих хвиль.

Ідея Ейнштейна про поширення світла у вигляді потоку окремих фотонів і квантовому характері взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною підтверджена в 1922 р дослідами А. Ф. Іоффе і Н. І. Добронравова. В електричному полі плоского конденсатора врівноважувалася заряджена порошинка з вісмуту. Нижня обкладка конденсатора виготовлялася з найтоншої алюмінієвої фольги, яка була одночасно анодом мініатюрної рентгенівської трубки. Анод бомбардувати прискореними до 12 кВ фотоелектронами, що випускаються катодом під дією ультрафіолетового випромінювання. Освітленість катода підбиралася настільки слабкою, щоб з нього в 1 з виривалося лише 1000 фотоелектронів, а отже, і число рентгенівських імпульсів було 1000 в 1 с. Досвід показав, що в середньому через кожні 30 хв врівноважена порошинка виходила з рівноваги, т. Е. Рентгенівське випромінювання звільняло з неї фотоелектрон.

Якби рентгенівське випромінювання поширювалося у вигляді сферичних хвиль, а не окремих фотонів, то кожен рентгенівський імпульс віддавав би порошині дуже малу частину своєї енергії, яка розподілялася б, в свою чергу, між величезним числом електронів, що містяться в порошині. Тому при такому механізмі важко уявити, що один з електронів за такий короткий час, як 30 хв, може накопичити енергію, достатню для подолання роботи виходу з пилинки. Навпаки, з точки зору нової теорії це можливо. Так, якщо рентгенівське випромінювання поширюється у вигляді потоку дискретних фотонів, то електрон вибивається з пилинки тільки тоді, коли в неї потрапляє фотон. Елементарний розрахунок для обраних умов дає, що в середньому в порошинку потрапляє один фотон з 1,810 6. Так як в 1 з вилітає 1000 фотонів, то в середньому в порошинку потраплятиме один фотон в 30 хв, що узгоджується з результатами досвіду .

Якщо світло являє собою потік фотонів, то кожен фотон, потрапляючи в реєструючий прилад (очей, фотоелемент), повинен викликати ту чи іншу дію незалежно від інших фотонів. Це ж означає, що при реєстрації слабких світлових потоків повинні спостерігатися флуктуації їх інтенсивності. Ці флуктуації слабких потоків видимого світла дійсно спостерігалися С. І. Вавілов. Спостереження проводилися візуально. Око, адаптований до темряви, володіє досить різким порогом зорового відчуття, т. Е. Сприймає світло, інтенсивність якого не менше деякого порога. Для світла з  = 525 нм поріг зорового відчуття відповідає у різних людей приблизно 100-400 фотонам, падаючим на сітківку за 1 с. С. І. Вавилов спостерігав періодично повторювані спалахи світла однаковою тривалості. Зі зменшенням світлового потоку деякі спалаху вже не сприймалися оком, причому чим слабкіша був світловий потік, тим більше було пропусків спалахів. Це пояснюється флуктуаціями інтенсивності світла, т. Е. Число фотонів виявлялося по випадковим причин менше порогового значення. Таким чином, досвід Вавилова з'явився наочним підтвердженням квантових властивостей світла.