Явление фотоэффекта, нашедшее широкое применение в современном мире, — это выбивание электронов из атомов вещества при воздействии на них электромагнитного излучения. Существует внутренний и внешний фотоэффект, в статье пойдет речь о внешнем.
Под действием облучения электроны покидают вещество. А оказавшись в газовой среде, под действием электрического поля искрового промежутка они разгоняются, выбивают из молекул газа новые электроны. Процесс нарастает лавинообразно, возникает искровой разряд.
Явление, при котором электроны покидают атомные оболочки и выходят из вещества, называется внешним фотоэффектом. Существует также внутренний фотоэффект, при котором электроны остаются в веществе.
Исследования внешнего фотоэффекта
Наиболее глубокие исследования внешнего фотоэффекта провел в концe XIX в. русский физик А. Столетов.
Для исследований использовалась следующая установка:
В колбе с вакуумом имеются два электрода. Напряжение между электродами можно менять. Для определения тока между электродами использовался амперметр.
При облучении катода УФ-излучением амперметр начинает фиксировать фототок даже при нулевом напряжении между электродами. Это происходит потому, что в результате внешнего фотоэффекта электроны выходят из катода и летят во всех направлениях. Часть из них достигает анода, в цепи возникает ток.
Меняя напряжение между электродами, А. Столетов вывел два закона.
- Если напряжение увеличивать, то все большее число электронов будет достигать анода. Фототок будет расти, пока не достигнет насыщения (в этот момент все электроны будут достигать анода). Более интенсивное облучение выбьет больше электронов, поэтому значение фототока насыщения зависит от интенсивности облучения. То есть первый закон фотоэффекта Столетова гласит, что фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на катод.
- Если напряжение уменьшать, то оно будет тормозить электроны, долетающие до анода. Следовательно, можно оценить кинетическую энергию фотоэлектронов. Было логично предположить, что эта энергия также пропорциональна мощности облучения. Однако опыт показал, что это не так. Кинетическая энергия фотоэлектронов зависела только от частоты облучения. Это и установил второй закон Столетова.
Необъяснимым стал тот факт, что при некоторой минимальной частоте облучения фотоэффект резко исчезал. Эта минимальная частота была названа «красной границей фотоэффекта». Третий закон Столетова устанавливает существование этой границы, которая специфична для разных веществ.
Уравнение фотоэффекта
Объяснить второй и третий законы Столетова с точки зрения классической электродинамики не представлялось возможным. Для их объяснения в 1905 г. А. Эйнштейн допустил, что свет существует только в виде порций-квантов (фотонов). Фотон может быть излучен или поглощен только целиком. А энергия фотона равна ($h$ — постоянная Планка):
$$E=hnu$$
Эта энергия будет потрачена на разрыв связей между электроном и атомом, специфичную для каждого вещества (работа выхода $A$). Если энергия фотона будет больше, остаток энергии перейдет в кинетическую энергию электрона.
Таким образом, уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта выглядит следующим образом:
$$hnu=A_{вых}+{m_ev^2over 2}$$
Эта формула объяснила второй и третий законы Столетова.
Что мы узнали?
Внешний фотоэффект — это выбивание электронов из атомов вещества при облучении их светом, при котором электроны покидают вещество. Три закона фотоэффекта были открыты А. Столетовым, два из них получили объяснение в рамках квантовой теории фотоэффекта А. Эйнштейна.
