Краткая теория. Фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света

Фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Это эффект был исследован А.Г. Столетовым, который на основании своих опытов пришел к следующим выводам: 1) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи; 2) сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины; 3) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

Позже было установлено, что испущенные частицы являются электронами. Их называют фотоэлектронами.

Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями (квантами), какими он, по предположению Планка, испускается. Энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта ( – постоянная Планка, деленная на 2π, ω – круговая частота волны).

Энергия кванта усваивается целиком. Часть этой энергии, равная работе выхода А (работой выхода называется энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакууме), затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Остаток энергии образует кинетическую энергию электрона, покинувшего вещество . Здесь m – масса электрона, – скорость электрона. Таким образом, должно выполнятся соотношение

Оно называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

Из этого уравнения вытекает, что в случае, когда работа выхода А превышает энергию кванта , электроны не могут покинуть металл. Следовательно, для возникновения фотоэффекта необходимо выполнение условия , или для частоты .

Соответственно для длины волны получается условие

Частота или длина волны называется красной границей фотоэффекта.

Внешний фотоэффект может наблюдаться в фотоэлементе, который представляет собой стеклянный баллон, на одну половину внутренней поверхности которого наносится светочувствительный слой щелочных металлов или их соединений. Этот слой является фотокатодом. Перед фотокатодом помещается металлический анод малых размеров. Электрические выводы катода и анода выведены в цоколь элемента. В баллоне фотоэлемента создан либо вакуум – вакуумный фотоэлемент, либо находится инертный газ (аргон, неон, гелий) – газонаполненный фотоэлемент.

В газонаполненном фотоэлементе фотоэлектроны ускоряются электрическим полем при подаче напряжения между катодом и анодом этого фотоэлемента, сталкиваются с молекулами газа и выбивают из них электроны. Эти вторичные электроны, притягиваясь к аноду, увеличивают ионизацию газа. В вакуумном фотоэлементе ток возникает только благодаря фотоэлектронам. Газонаполненные фотоэлементы дают ток значительно больший, чем вакуумные, благодаря ионизации газа.

В техническом паспорте на фотоэлемент указываются следующие параметры:

– номинальное напряжение, при котором рекомендуется использовать фотоэлемент,

– чувствительность при номинальном напряжении,

– напряжение зажигания.

Чувствительностью γ фотоэлемента называют величину фототока i, протекающего в фотоэлементе при освещении его катода световым потоком Ф в один люмен: .

Напряжением зажигания называется то напряжение, при котором фототок не будет регулироваться световым потоком, а начинает самопроизвольно возрастать, что сопровождается свечением газа в баллоне фотоэлемента.

Вольт - амперной характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока I от напряжения между электродами U. Она приведена на рисунке 25.1 (характеристика снята при постоянном потоке света Ф).

Из этой кривой видно, что при некотором не очень большом напряжении фототок достигает насыщения – все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Следовательно, сила тока насыщения I_н определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света.

Пологий ход кривой указывает на то, что электроны вылетают из катода с различными по величине скоростями. Доля электронов, отвечающая силе тока при U=0, обладает скоростями, достаточными для того, чтобы долететь до анода «самостоятельно», без помощи ускоряющего поля. Для обращения силы тока в нуль нужно приложить задерживающее напряжение U_з. При таком напряжении ни одному из электронов, даже обладающему при вылете из катода наибольшим значением скорости v_m, не удается преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода. Поэтому можно написать, что

где масса электрона,

е – заряд электрона.

Таким образом, измерив задерживающее напряжение, можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов.

Число высвобождаемых вследствие фотоэффекта электронов должна быть пропорционально числу подающих на поверхность квантов света. Вместе с тем световой поток Ф определяется количеством квантов света, падающих на поверхность в единицу времени. В соответствии с этим ток насыщения I_н должен быть пропорционален падающему световому потоку.