Схема експериментальної установки для вивчення фотоефекту

В експериментах використовувався скляний вакуумний балон з двома металевими електродами, поверхня яких була ретельно очищена. До електродів прикладалася деяка напруга U, полярність якого можна було змінювати за допомогою подвійного ключа. Один з електродів (катод K) через кварцове віконце висвітлювався монохроматичним світлом певної довжини хвилі λ. При незмінному світловому потоці знімалася залежність сили фотоструму I від прикладеної напруги. На рис. 5.2.2 зображені типові криві такої залежності, отримані при двох значеннях інтенсивності світлового потоку, що падає на катод.

Залежність сили фотоструму від прикладеної напруги. Крива 2 відповідає більшій інтенсивності світлового потоку. Iн1 і Iн2 - струми насичення, Uз - замикає потенціал

Криві показують, що при досить великих позитивних напругах на аноді A фототок досягає насичення, так як всі електрони, вирвані світлом з катода, досягають анода. Ретельні вимірювання показали, що струм насичення Iн прямо пропорційний інтенсивності падаючого світла. Коли напруга на аноді негативно, 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 - Uз, фототок припиняється. Вимірюючи Uз, можна визначити максимальну кінетичну енергію фотоелектронів:

На подив учених, величина Uз виявилася незалежною від інтенсивності падаючого світлового потоку. Ретельні вимірювання показали, що замикає потенціал лінійно зростає зі збільшенням частоти ν світла (рис. 5.2.3).

Залежність замикаючого потенціалу Uз від частоти ν падаючого світла

Численними експериментаторами були встановлені наступні основні закономірності фотоефекту:

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

2. Для кожної речовини існує так звана червона межа фотоефекту, т. Е. Найменша частота νmin, при якій ще можливий зовнішній фотоефект.

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

4. Фотоефект практично безінерційна, фототок виникає миттєво після початку освітлення катода за умови, що частота світла ν> νmin.

Всі ці закономірності фотоефекту в корені суперечили уявленням класичної фізики про взаємодію світла з речовиною. Згідно хвильовим уявленням при взаємодії з електромагнітної пучком електрон мав би поступово накопичувати енергію, і треба було б чимало часу, залежне від інтенсивності світла, щоб електрон накопичив достатньо енергії для того, щоб вилетіти з катода. Як показують розрахунки, це час мало б обчислюватися хвилинами або годинами. Однак, досвід показує, що фотоелектрони з'являються негайно після початку освітлення катода. У цій моделі також було неможливо зрозуміти існування червоної межі фотоефекту. Хвильова теорія світла не могла пояснити незалежність енергії фотоелектронів від інтенсивності світлового потоку і пропорційність максимальної кінетичної енергії частоті світла.

Таким чином, електромагнітна теорія світла виявилася нездатною пояснити ці закономірності.

Вихід був знайдений А. Ейнштейном в 1905 р Теоретичне пояснення спостережуваних закономірностей фотоефекту було дано Ейнштейном на основі гіпотези М. Планка про те, що світло випромінюється і поглинається певними порціями, причому енергія кожної такої порції визначається формулою E = hν, де h - постійна Планка . Ейнштейн зробив наступний крок у розвитку квантових уявлень. Він прийшов до висновку, що світло має переривчасту (дискретну) структуру. Електромагнітна хвиля складається з окремих порцій - квантів, згодом названих фотонами. При взаємодії з речовиною фотон цілком передає всю свою енергію hν одному електрону. Частина цієї енергії електрон може розсіяти при зіткненнях з атомами речовини. Крім того, частина енергії електрона витрачається на подолання потенційного бар'єру на кордоні метал-вакуум. Для цього електрон повинен зробити роботу виходу A, що залежить від властивостей матеріалу катода. Найбільша кінетична енергія, яку може мати вилетів з катода фотоелектрон, визначається законом збереження енергії:

Цю формулу прийнято називати рівнянням Ейнштейна для фотоефекту.

За допомогою рівняння Ейнштейна можна пояснити всі закономірності зовнішнього фотоефекту. З рівняння Ейнштейна слідують лінійна залежність максимальної кінетичної енергії від частоти і незалежність від інтенсивності світла, існування червоної межі, безінерційність фотоефекту. Загальна кількість фотоелектронів, які покидають за 1 з поверхню катода, має бути пропорційно числу фотонів, що падають за той же час на поверхню. З цього випливає, що струм насичення повинен бути прямо пропорційний інтенсивності світлового потоку.

Як випливає з рівняння Ейнштейна, тангенс кута нахилу прямої, що виражає залежність замикаючого потенціалу Uз від частоти ν (рис. 5.2.3), дорівнює відношенню постійної Планка h до заряду електрона e:

Це дозволяє експериментально визначити значення постійної Планка. Такі вимірювання були виконані в 1914 р Р. Міллікеном і дали гарну згоду зі значенням, знайденим Планком. Ці вимірювання дозволили також визначити роботу виходу A:

Серед металів найменшою роботою виходу мають лужні елементи. Наприклад, у натрію A = 1,9 еВ, що відповідає червоній межі фотоефекту λкр ≈ 680 нм. Тому з'єднання лужних металів використовують для створення катодів в фотоелементах, призначених для реєстрації видимого світла.

Отже, закони фотоефекту свідчать, що світло при випущенні і поглинанні поводиться подібно до потоку частинок, які отримали назву фотонів або світлових квантів.

Енергія фотонів дорівнює

Фотон рухається у вакуумі зі швидкістю c. Фотон не має маси, m = 0. Із загальної співвідношення спеціальної теорії відносності, зв'язує енергію, імпульс і масу будь-якої частинки ,

Таким чином, вчення про світло, зробивши виток тривалістю в два століття, знову повернулося до уявленням про світлові частинках - корпускули.

Але це не був механічний повернення до нової теорії Ньютона. На початку XX століття стало ясно, що світло має двоїсту природу. При поширенні світла проявляються його хвильові властивості ( інтерференція , дифракція , поляризація ), А при взаємодії з речовиною - корпускулярні (фотоефект). Ця двоїста природа світла одержала назву корпускулярно-хвильового дуалізму. Пізніше двоїста природа була відкрита у електронів і інших елементарних частинок. Класична фізика не може дати наочної моделі поєднання хвильових і корпускулярних властивостей у мікрооб'єктів. Рухом мікрооб'єктів керують не закони класичної механіки Ньютона, а закони квантової механіки. теорія випромінювання абсолютно чорного тіла , Розвинена М. Планком, і квантова теорія фотоефекту Ейнштейна лежать в основі цієї сучасної науки.

Модель. фотоефект