4.2.3.  ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Внешним фотоэффектом называется процесс вырывания электронов из поверхности металлов под действием света. Исследовать фотоэффект можно с помощью вакуумной трубки со встроенными катодом и анодом,  на которые подается регулируемое напряжение. Катод, покрытый исследуемым металлом, освещается монохроматическим светом через специальное окошко. Электроны, вылетевшие из металла, называются фотоэлектронами; а электрический ток, образованный фотоэлектронами во внешней цепи, называется фототоком.

Законы фотоэффекта

1. При неизменной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения, а определяется только его частотой.

3. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

Объяснить явление фотоэффекта можно только на основе квантовой теории, предложенной Планком. Свет не только излучается, но и поглощается веществом в виде отдельных дискретных квантов электромагнитного излучения – фотонов. Все фотоны монохроматического света частотой n имеют одинаковую энергию (hn) и движутся в пространстве со скоростью света (с) в вакууме. При поглощении света веществом каждый поглощенный фотон передает всю свою энергию частице вещества. Для выхода из металла электрон должен совершить работу выхода (А).

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, выражающее закон сохранения энергии при фотоэффекте, имеет вид:

.

Энергия падающего фотона () расходуется на совершение работы  выхода (А) из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии.


В формуле подразумевается работа выхода электронов из поверхностного слоя. Эти электроны  имеют максимальную скорость, по сравнению с электронами, вырванными из более глубоких слоев. Работа выхода зависит от материала катода и качества обработки поверхности металла.

Вольтамперная характеристика – это зависимость фототока от напряжения между катодом и анодом (рис. 4.13). По мере увеличения ускоряющего напряжения фототок постепенно возрастает, так как все большее число фотоэлектронов достигает анода. Максимальное значение тока Iн (фототок насыщения) достигается при таком значении напряжения, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода.

Задерживающее напряжение (UЗ) – напряжение тормозящего поля, при котором прекращается  фототок, т.е. задерживаются даже самые быстрые электроны:

.

Измеряя задерживающее напряжение (UЗ), можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

«Красная граница фотоэффекта» (n0)  определяется по уравнению Эйнштейна, в котором кинетическая энергия электронов приравнивается к нулю и получается:

.