Фотоелектричний ефект

Фотоелектричний ефект був відкритий в 1887 році німецьким фізиком Р. Герцом і в 1888–1890 роках експериментально досліджений А. Р. Столєтовим. Якнайповніше дослідження явища фотоефекту було виконано Ф. Ленардом в 1900 р. До цього часу вже був відкритий електрон (Д. Томсон, 1897 р.), і стало ясно, що фотоефект (або точніше – зовнішній фотоефект) полягає у вириванні електронів з речовини під дією падаючого на нього світла.

Схема експериментальної установки для дослідження фотоефекту зображена на мал. 8.2.1.

Малюнок 8.2.1. Схема експериментальної установки для вивчення фотоефекту.

У експериментах використовувався скляний вакуумний балон з двома металевими електродами, поверхня яких була ретельно обчищена. До електродів прикладалася деяка напруга U, полярність якої можна було змінювати за допомогою подвійного ключа. Один з електродів (катод До) через кварцове віконце освітлювався монохроматичним світлом деякої довжини хвилі λ, і при незмінному світловому потоці знімалася залежність сили фотоструму I від прикладеної напруги. На мал. 8.2.2 зображені типові криві такої залежності, одержані при двох значеннях інтенсивності світлового потоку, падаючого на катод.

Малюнок 8.2.2. Залежність сили фотоструму від прикладеної напруги. Крива 2 відповідає більшій інтенсивності світлового потоку. I_н1 і I_н2 – струми насичення, U_з – замикаючий потенціал.

Криві показують, що при достатньо великих позитивних напругах на аноді А фотострум досягає насичення, оскільки всі електрони, вирвані світлом з катода, досягають анода. Ретельні вимірювання показали, що струм насичення I_н прямо пропорційний інтенсивності падаючого світла. Коли напруга на аноді негативна, електричне поле між катодом і анодом гальмує електрони. Анода можуть досягти тільки ті електрони, кінетична енергія яких перевищує |eU|. Якщо напруга на аноді менше ніж –U_з, фотострум припиняється. Вимірюючи U_з, можна визначити максимальну кінетичну енергію фотоелектронів:

До здивування учених, величина U_з виявилася не залежною від інтенсивності падаючого світлового потоку. Ретельні вимірювання показали, що замикаючий потенціал лінійно зростає із збільшенням частоти ν світла (мал. 8.2.3).

Малюнок 8.2.3. Залежність замикаючого потенціалу U_з від частоти ν падаючого світла.

Численними експериментаторами були встановлені наступні основні закономірності фотоефекту:

1. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає із збільшенням частоти світла ν і не залежить від його інтенсивності.

2. Для кожної речовини існує так звана червона межа фотоефекту, т. е. якнайменша частота ν_min, при якій ще можливий зовнішній фотоефект.

3. Число фотоелектронів, вирваних світлом з катода за 1 с, прямо пропорційно інтенсивності світла.

4. Фотоефект практично безінерційний, фотострум виникає миттєво після початку освітлення катода за умови, що частота світла ν > ν_min.

Всі ці закономірності фотоефекту в корінні суперечили уявленням класичної фізики про взаємодію світла з речовиною. Згідно хвильовим уявленням електрон при взаємодії з електромагнітною світловою хвилею повинен був би поступово накопичувати енергію, і був би потрібно значний час, залежний від інтенсивності світла, щоб електрон накопичив достатньо енергії для того, щоб вилетіти з катода. Як показують розрахунки, цей час повинен був би обчислюватися хвилинами або годинником. Проте, досвід показує, що фотоелектрони з'являються негайно після початку освітлення катода. В цій моделі неможливо було також зрозуміти існування червоної межі фотоефекту. Хвильова теорія світла не могла пояснити незалежність енергії фотоелектронів від інтенсивності світлового потоку, пропорційність максимальної кінетичної енергії частоті світла.