Тема: Квантовая физика
Урок: Опыты А. Столетова. Явление фотоэффекта
1. Введение
Макс Планк выдвинул гипотезу о дискретной природе света. Это явление было подтверждено исследованиями, которые проводил Генрих Герц. Такое явление получило название – явление фотоэффекта.
Изучил экспериментально и сформулировал законы фотоэффекта русский физик Александр Григорьевич Столетов (Рис. 1).
Рис. 1. Александр Григорьевич Столетов
Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.
Внутренний фотоэффект – это эффект, при котором оторванные от своих атомов электроны остаются внутри вещества и становятся свободными. Такой фотоэффект можно наблюдать в полупроводниках и некоторых диэлектриках.
Для того чтобы получить о фотоэффекте более полное представление, нужно выяснить:
1. От чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов),
2. Чем определяется их скорость или кинетическая энергия.
Были проведены экспериментальные исследования (Рис. 2).
Рис. 2. Опыт Столетова
В стеклянный баллон, из которого был выкачан воздух, помещаются два электрода. На один из электродов поступает свет через кварцевое окошко, прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром. К освещаемому электроду подключают отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые образуют электрический ток. При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода. Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока возрастает. При некотором значении напряжения она достигает максимального значения, после чего перестает увеличиваться.
Ток насыщения – максимальное значение силы тока. Ток насыщения определяется числом электронов, испущенных за 1 секунду освещаемым электродом (Рис. 3).
Изменяя интенсивность излучения, удалось установить, что сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела. При увеличении интенсивности излучения источника света в два раза, сила тока насыщения тоже увеличивается в два раза.
Рис. 3. Ток насыщения
Первый закон Столетова:
Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
Из эксперимента видно, что величина силы фототока отлична от нуля и при нулевом значении напряжения (Рис. 4). Это значит, что часть вырванных светом фотоэлектронов достигает анода и при отсутствии напряжения.
Рис. 4. Величина силы фототока
Если изменить полярность батареи, то сила тока будет уменьшаться, и при некотором напряжении обратной полярности она станет равна нулю (Рис. 5).
Рис. 5. Опыт Столетова при обратной полярности
Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод. Такое напряжение – задерживающее напряжение (Рис. 6).
Рис. 6. Задерживающее напряжение
Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической энергии, можно найти значение кинетической энергии фотоэлектронов:
При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не меняется. Это значит, что не меняется кинетическая энергия фотоэлектронов.
На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света.
Второй закон Столетова:
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности (Рис. 7).
Рис. 7. График увеличения кинетической энергии
Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не наблюдается, достигается красная граница фотоэффекта.
Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота света для данного вещества, при которой наблюдается явление фотоэффекта.
Второй закон Столетова совершенно не объясним. При увеличении интенсивности света на электроны должна действовать большая сила, а следовательно, фотоэлектроны должны получать большую энергию, но на самом деле этого не происходит.
Объяснить теоретически эти экспериментальные законы смог Альберт Эйнштейн, применив к ним гипотезу Макса Планка.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет:
