Физика (стр. 30 )

 

Рис. 3.4.8

Законы фотоэффекта. В результате исследования фотоэффекта были установлены три закона:

1. При неизменном спектральном составе падающего на катод света сила тока насыщения, т. е. количество испускаемых катодом в единицу времени электронов, пропорциональна интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности.

3. Фотоэффект вызывается только под действием света, длина волны которого меньше некоторой предельной длины, характерной для каждого металла и называемой красной границей фотоэффекта. При длине волны, большей, чем предельная, независимо от интенсивности излучения, фотоэффект не происходит.

Законы фотоэффекта противоречат представлениям волновой теории света. Согласно этим представлениям под действием световой волны электроны вещества должны совершать вынужденные колебания с амплитудой, пропорциональной амплитуде волны. При достаточной интенсивности колебаний связь электрона с веществом может быть нарушена, и электроны будут вылетать наружу со скоростью, величина которой должна зависеть от интенсивности падающего света. В действительности такой зависимости нет – скорость электронов зависит только от частоты падающего света (2-й закон).

Кроме этого, по волновой теории энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света. Значит, свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла, т. е. красной границы не должно быть. Это противоречит 3-му закону.

Объяснение законов фотоэффекта. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями, какими он, по предположению Планка, испускается, т. е. квантами, энергия которых равна . Эти порции, или кванты, света Эйнштейн назвал фотонами. Фотоэффект происходит в результате поглощения фотонов электронами металлов. По предположению Эйнштейна, каждый фотон взаимодействует только с одним электроном. Количество электронов, испускаемых металлом в единицу времени (т. е. фототок насыщения), пропорционально количеству фотонов, падающих на металл в единицу времени (т. е. интенсивности света). Этим объясняется 1-й закон фотоэффекта.

Электрон получает дополнительную энергию, равную энергии фотона. Если эта энергия меньше работы, затрачиваемой на выход электрона из металла (работы выхода), то фотоэффект не происходит (просто усиливается тепловое движение электронов). Если энергия фотона равна или больше работы выхода, то фотоэффект происходит. При этом, если энергия фотона превышает работу выхода, то разность между ними переходит в кинетическую энергию электрона . Энергия фотона, по Планку, равна . Значит, , где – работа выхода. Это уравнение называется уравнением Эйнштейна.

Из уравнения Эйнштейна следует: , т. е. энергия и скорость зависят только от частоты падающего света и не зависят от интенсивности света, так как ни , ни от интенсивности света не зависят. Это объясняет 2-й закон фотоэффекта.

В предельном случае имеем: , где – наименьшая частота, при которой происходит фотоэффект. Ей соответствует наибольшая длина волны . Это объясняет 3-й закон фотоэффекта.

Пример 4. Определить постоянную Планка, если известно, что для прекращения фотоэффекта, вызванного облучением некоторого металла светом с частотой необходимо приложить задерживающее напряжение , а светом с частотой – задерживающее напряжение .

Решение. По Эйнштейну энергия кванта света, падающего на металл, полностью воспринимается электроном и расходуется на совершение работы выхода и на сообщение вылетевшему электрону кинетической энергии , т.  е. . Если вылетевшие электроны задерживаются обратным потенциалом , то , где – заряд электрона. Таким образом, и . Отсюда

.

Внутренний и вентильный фотоэффект. Кроме рассмотренного внешнего фотоэффекта, обычно называемого просто фотоэффектом, существует внутренний фотоэффект, наблюдаемый в диэлектриках и полупроводниках. Он заключается в обусловленном действием света перераспределении электронов по энергетическим уровням. Если энергия кванта превышает ширину запрещенной зоны, электрон, поглотивший квант, переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей тока – электрон и дырка, что приводит к повышению электропроводности вещества. Возникшая проводимость называется фотопроводимостью.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом называются фотосопротивлениями. Они обладают гораздо большей чувствительностью, чем вакуумные фотоэлементы. Поэтому фотосопротивления применяют для целей фотометрии. Если «красная граница» фотоэффекта для вакуумных фотоэлементов не превышает , то фотосопротивления могут применяться для измерений в инфракрасной области спектра и даже в области рентгеновского излучения.

В области p-n-перехода может наблюдаться вентильный фотоэффект. Он заключается в возникновении под действием света электродвижущей силы (фото-э. д.с). Неосновные носители заряда (электроны в -области и дырки в -области), возникшие под действием света, проходят через переход. В результате в -области накапливается избыточный положительный заряд, в -области – избыточный отрицательный заряд. Это приводит к возникновению приложенного к переходу напряжения, которое и представляет собой фотоэлектродвижущую силу. Несколько десятков соединенных последовательно кремниевых p-n-переходов образуют солнечную батарею. Такие батареи применяются для питания радиоаппаратуры на космических кораблях и спутниках Земли.

3.4.4. Фотоны. Световое давление

Рассмотренное явление фотоэффекта подтверждает квантовую природу света. Таким образом, для объяснения распределения энергии в спектре равновесного теплового излучения достаточно, как показал Планк, допустить, что свет только испускается порциями . Эйнштейн пошел дальше и выдвинул гипотезу, что свет испускается, распространяется и поглощается дискретными порциями, которые он назвал фотонами. Согласно теории относительности частица с энергией обладает массой . Значит, фотон имеет массу . Фотон есть частица, движущаяся со скоростью света. Масса релятивистской частицы равна (здесь – масса покоя фотона). Подставив в это выражение значение , увидим, что знаменатель обращается в нуль. Однако масса фотона имеет конечное значение. Это возможно только, если масса покоя фотона равна нулю. Таким образом, фотон – особая частица, существенно отличающаяся от других элементарных частиц, которые обладают массой покоя, не равной нулю. Фотон не имеет массы покоя и может существовать, только двигаясь со скоростью .