Внешний фотоэлектрический эффект
Внешний фотоэлектрический эффект — вырывание электронов из вещества под действием света.
Внешний фотоэффект был открыт Герцем в 1887 г., а детально исследован А.Г. Столетовым в 1888 г. Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рисунке:
Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта.
В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U , полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K ) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ, и при неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения.
Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока (Iнас
I н₁ и I н₂ – токи насыщения, U з – запирающий потенциал.
Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода.
Когда напряжение на аноде отрицательно (запирающее), электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анод могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает | eU |. Если напряжение на аноде меньше, чем – U з, фототок прекращается. Измеряя U з, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:
Закономерности внешнего фотоэффекта легко объяснить, если учесть корпускулярную природу света.
Законы фотоэффекта
1. Фототок насыщения (число электронов, вырываемых в единицу времени) пропорционален мощности падающего излучения (Iнас
2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности (V
3. Фотоэффект наблюдается только при облучении светом с частотой ν > νкр, где νкр критическая частота, называемая красной границей фотоэффекта, зависит от химической природы вещества и состояние его поверхности.
Длинноволновая граница фотоэффекта:
где с – скорость света.
4. Фотоэффект практически безынерционен, т.е. нет запаздывания между началом освещения и появлением фотоэлектронов.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта выражает закон сохранения энергии.
Энергия кванта, поглощённая электроном, идет частично на работу выхода электрона из металла Авых, а остаток уносится электроном в виде кинетической энергии :
Минимальная частота νкр (или максимальная длина волны λкр) света, соответствующие красной границе фотоэффекта, связаны с работой выхода следующим образом:
Источник
Лекции по атомной физике — Фотоэффект
Определение
Определение: фотоэффект – это вырывание электронов из металла под действием падающего света.
Вырванные электроны называются «фотоэлектронами».
Законы фотоэффекта
а) Скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света.
б) Число фотоэлектронов пропорционально интенсивности падающего света.
I_ <нас>– ток насыщения;
U_ <з>– задерживающее или запирающее напряжение.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
E_ <ф>– энергия падающего фотона, т.е. частицы света
\nu – частота падающего света
\nu=\frac<1>
h – постоянная Планка
A_ <вых>– работа выхода электрона из металла, т.е. работа, которую необходимо совершить, чтобы вырвать электрон из вещества
Кинетическая энергия фотоэлектрона:
v_
m_
Красная граница фотоэффекта
Минимальная частота, при которой возможен фотоэффект:
v_ <кр>– красная граница по частоте;
\lambda – длина волны света
Cвязь между частотой и длиной волны:
c – скорость света в вакууме
\lambda_ <кр>– красная граница по длине волны
Задерживающее напряжение
Определение: Задерживающее напряжение – это напряжение обратной полярности, при котором все электроны возвращаются назад на тот электрод, с которого были вырваны.
Это происходит, когда работа поля по возращению электронов становится равной кинетической энергии:
Подставим это выражение в уравнение Эйнштейна:
С другой стороны:
q_ <0>– заряд носителя электричества;
v – скорость дрейфа, т.е. направленного движения частиц;
S – площадь поперечного сечения проводника
При увеличении частоты скорость фотоэлектронов растет \Rightarrow растет задерживающее напряжение.
При увеличении интенсивности света растет концентрация электронов \Rightarrow растет ток насыщения.
Энергия и импульс фотона
Замечание: Фотоны не имеют массы покоя. Рождаясь, они приобретают скорость c.
Корпускулярно-волновой дуализм
Определение: Корпускулярно-волновой дуализм – это двойственность свойств элементарных частиц: они одновременно обладают свойствами частиц и волн.
Длина волны де Бройля
Длину волны можно определить для любой частицы.
Источник
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
2014-02-09
26662
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от интенсивности света.
Законы Столетова для фотоэффекта
При положительном напряжении освещен катод
При отрицательном напряжении освещен анод
Запирающим напряжением Uз называется напряжение, при котором фотоэффект прекращается.
Запирающее напряжение Uз связано с максимальной кинетической энергией фотоэлектронов Ek(max) соотношением Ek(max) = Uзe
1. Сила фототока насыщения пропорциональна интенсивности света.
3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть наименьшая частота νmin, при которой возможен фотоэффект
Объяснение фотоэффекта проведено на основе квантовой гипотезы Планка
Энергия падающего фотона расходуется на преодоление работы выхода электрона из вещества и сообщение электронам кинетической энергии
Работа выхода электронов из металла равна минимальной энергии, которой должен обладать электрон для освобождения с поверхности вещества.
Существует внешний и внутренний фотоэффект .
1. Фотоэффект невозможен, если энергии падающего фотона недостаточно для преодоления работы выхода, hν
2. Если hνmin = Авых — порог фотоэффекта.
Частота и длина волны красной границы фотоэффекта:
Источник