Оптика Дисперсия света Интерференция света Изучение эффекта Фарадея Дифракция света Оптическая пирометрия Оптическая физика Тепловое излучение тел Фотоэлектрический эффект Квантовый характер излучения

Фотоэлектрический эффект

В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц во время экспериментов по излучению электромагнитных волн обнаружил интересное явление. Когда он освещал металлический заряженный шар ультрафиолетовыми лучами, заряд шара изменялся. В дальнейшем, было установлено, что металл, облучённый ультрафиолетовым светом, заряжается положительно. При этом оказалось, что фотоэффект безинерционен, т.е. пластина начинает разряжаться сразу после того, как на нее падает свет.

В 1888-1890 г. русский ученый Александр Григорьевич Столетов подробно исследовал новое явление и установил его закономерности.

В 1899 г. немец Филипп Ленард и англичанин Джозеф Томсон доказали, что падающий на металлическую поверхность свет выбивает из неё отрицательно заряженные частицы. Измерение заряда этих частиц по их отклонению в магнитном поле показало, что они представляют собой электроны. Так было экспериментально доказано, что под действием света металл теряет отрицательно заряженные частицы – электроны.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света (электромагнитного излучения) называют внешним фотоэффектом. 

Установка Столетова для наблюдения фотоэффекта изображена на рис. 7.1. Плоский конденсатор, одной из обкладок которого служила медная сетка С, а второй – цинковая пластина D, был включен через гальванометр G в цепь аккумуляторной батареи Б. При освещении отрицательно заряженной пластины D светом от источника S в цепи возникал электрический ток, названный фототоком. Сила фототока была пропорциональна освещенности пластины D. Освещение положительно заряженной обкладки С не приводило к возникновению фототока.

Для более тщательного изучения фотоэффекта пользуются установкой, изображенной на рис. 7.2. В замкнутой колбе находятся два электрода: катод и анод. На катод, покрытый исследуемым металлом, падает свет через окошко закрытое кварцевым стеклом. Из колбы откачан воздух и создан вакуум, который необходим для того, чтобы предотвратить загрязнение поверхности металла, так как оно существенно влияют на эмиссию электронов. Между электродами подается напряжение, которое можно менять. При освещении отрицательно заряженного электрода в цепи возникает ток, который измеряется с помощью амперметра.

Данная установка, называемая вакуумным фотоэлементом, позволяет установить связь между поданным на электроды напряжением и током. Зависимость силы фототока от напряжения называется вольт-амперной характеристикой и имеет вид, изображенный на рис. 7.3.

Оказалось, что сила фототока, во-первых, прямо пропорциональна интенсивности падающего света, а во-вторых, при фиксированной интенсивности облучения она сначала растёт по мере повышения напряжения, но, достигнув определённого значения, уже не увеличивается. Это значение силы тока называется током насыщения.

Объясняется данная зависимость достаточно просто. Под действием света электроны вырываются из металла катода, при этом катод заряжается положительно. Вырванные электроны, притягиваясь к катоду, частично возвращаются в металл, таким образом вблизи катода возникает отpицательно заpяженное облако электронов. Пpи U = 0 большая часть электpонов двигается в пределах облака, но небольшая часть электронов, имеющих большую кинетическую энергию, попадает на анод. Двигаясь по инерции далее, они создают небольшой анодный фототок I0. Если увеличивать анодное напpяжение, то, вследствие, увеличения сил притяжения электрического поля, все большее число электpонов будет попадать каждую секунду из облака на анод и анодный ток будет pасти. Пpи достаточно сильном электрическом поле облако из электpонов полностью исчезнет так как все электpоны, выpываемые каждую секунду, будут двигаться сразу к аноду - наступит насыщение: дальнейшее усиление поля не пpиведет к увеличению тока. Очевидно, ток насыщения опpеделяется тем количеством электpонов, котоpые выpываются светом каждую секунду из металла.

Если между катодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения Uз анодный ток прекращается. Столетову удалось измерить это напряжение и по его величине рассчитать максимальную кинетическую энергию вырванных светом электронов.

А.Г.Столетов два года исследовал новое явление и установил следующие закономерности внешнего фотоэффекта:

Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально интенсивности светового потока Е (количеству энергии падающей со светом за единицу времени на единичную поверхность катода) и не зависит от частоты света.

Для каждого вещества существует определенная для данного вещества минимальная частота n0, при которой еще возможен фотоэффект. Если частота света меньше минимальной частоты, то фотоэффект не происходит (n0 называется «красной границей фотоэффекта», так как для многих металлов n0 лежит в области красного света.).

  Максимальная начальная скорость вырываемых электронов определяется частотой света и не зависит от интенсивности падающего светового потока.

Объяснить природу фотоэффекта с помощью волновой теории света не удалось. С точки зрения классической электродинамики, свет – поток множества электромагнитных волн, они воздействуют электромагнитными силами на электроны внутри металла, сообщая им дополнительную кинетическую энергию, которую электроны могут потратить на преодоление сил притяжения со стороны кристаллической решетки металла. Так как интенсивность электромагнитного излучения пропорциональна амплитуде волны, то увеличение интенсивности света должно вести к значительному увеличению амплитуды волн и, соответственно, к увеличению сил, действующих на электроны. Такое воздействие должно давать электронам ускорение, рост скорости, энергии и приводить к увеличению возможности выхода электронов из металла.

Для света с очень маленькой интенсивностью фотоэффект не должен был бы наблюдаться сразу, так как, чтобы раскачать электрон и накопить энергию, волне нужно было бы затратить время порядка секунды, однако в экспериментах фотоэлектроны появляются немедленно после освещения металла. Это противоречие, т.е. безынерционность фотоэффекта объяснить волновой теорией не удалось.

Кроме этого, энергия вырванного электрона и его скорость должны зависеть по волновой теории только от амплитуды колебаний в волне, а не от его частоты. Поэтому объяснить третий  закон фотоэффекта с помощью волновой теории также не удалось. Необъяснимым оставалось также, почему фототок возникал лишь тогда, когда частота падающего света превышала строго определённую для каждого металла величину.

Только в 1905 г. Эйнштейн раскрыл сущность фотоэффекта, за что получил Нобелевскую премию. Он предположил, что электромагнитное излучение не просто испускается порциями - оно и распространяется в пространстве, и поглощается веществом тоже в виде порций - световых квантов (элементарных частиц - фотонов). Энергия фотона e связана с частотой электромагнитного излучения n соотношением, предложенным ранее Планком, e = h n (h-постоянная Планка).

Согласно Эйнштейну, фотон, после его поглощения металлом, pасходует свою энеpгию на пpеодоление потенциального баpьеpа (эта часть энеpгии называется pаботой выхода электpона из металла А), а оставшуюся после этого энергию (если останется) на сообщение электpону вне металла кинетической энеpгии. Отсюда следует, что для возникновения фотоэффекта не важна интенсивность падающего светового пучка, главное, хватает ли отдельному световому кванту энергии, чтобы выбить электрон из вещества. Минимальная энергия необходимая для этого равна работе выхода. Необходимость затрат энергии на выход электронов из металла объяснятся также как и в классической теории: на вышедший электрон действует сила притяжения со стороны положительно заряженной области металла, из которой вышел электрон, и сила отталкивания со стороны электронного облака над металлом, созданного, ранее вышедшими, электронами. Если электрон освобождается светом не у самой поверхности, а на глубине, то часть энергии фотона может быть потеряна также вследствие случайных столкновений в веществе. Энергия электрона (и его скорость) будет максимальной, если потери равны нулю.

Закон сохpанения энергии позволяет написать пpостое соотношение, связывающее скоpость фотоэлектpонов с частотой поглощаемого света:

hv=А+Ek,

где hv - энергия, которую отдаёт фотон электрону вещества, А- работа выхода электрона из вещества, Ek = mv2/2 - кинетическая энергия освобождённого электрона. Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Теория Эйнштейна объясняет все законы Столетова.

Первый закон следует из того, что интенсивность света пропорциональна числу фотонов падающих за единицу времени на единичную поверхность, а каждый фотон вырывает примерно один электрон. Поэтому увеличение числа фотонов вызывает возрастание числа испущенных в единицу времени электронов. При этом в эксперименте с фотоэлементом, сила фототока пропорциональна интенсивности поглощённого света, то есть числу фотонов, способных выбить электроны из вещества.

Также становится ясно, что фотоэффект могут вызывать только фотоны соответствующие свету достаточно высокой частоты. Если hn < A, то энергии фотона не хватит на вырывание электронов и они из поверхности металла не испускаются. Это означает, что фотоэффект будет происходить только при hn > A, т.е. существует некоторая минимальная частота n0 = A/h, при которой начинается это явление (или граничная частота фотоэффекта).

Из формулы Эйнштейна следует также третий закон Столетова, так как видно что, максимальная начальная скорость электронов зависит только от частоты n и материала катода (А). Увеличение интенсивности света вызывает лишь возрастание числа испущенных в единицу времени электронов, но не влияет на их энергию.

Опыты по экспериментальной проверке уравнения Эйнштейна были проведены Милликеном на установке подобной установке Столетова. Метод Милликена заключается в исследовании зависимости значения задерживающего потенциала Uз от частоты света и его интенсивности. Испущенные электроны с энергией Ek = hn - А движутся к аноду, если потенциал Uз такой, что eUз > Ek, то ни один из электронов не может достичь коллектора и фототок исчезает, что позволяет измерить Uз. Согласно Эйнштейну, Uз = (hn - А)/e и не зависит от интенсивности света. Эксперименты подтвердили все выводы теории Эйнштейна и позволили найти величину h, которая совпала с величиной постоянной Планка. Этот эксперимент подтвердил два предположения:

свет состоит из частиц – квантов;

энергия кванта равна hn.

Фотоэффект обнаруживают практически все вещества, даже такие, как лед и вода, если освещать их ультрафиолетовым светом. Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Они применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

До сих пор мы рассматривали случай, когда электрон получает энергию только от одного фотона. Такие процессы называются однофотонными. С изобретением лазеров были получены недостижимые ранее мощности световых пучков. Это дало возможность осуществить многофотонный фотоэффект, в ходе которого электрон, вылетающий из металла, получает энергию не от одного, а от N фотонов (N=2, 3, 4, 5, 6). Формула Эйнштейна в случае многофотонного фотоэффекта имеет вид:

Nhv=А+Ek.

Соответственно n0 = A/hN и красная граница фотоэффекта смещается в сторону более коротких частот.

Существует также внутренний фотоэффект – это вызываемые электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате этого концентрация свободных носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к повышению электропроводности. На основе данного явления конструируются полупроводниковые фотоэлементы. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве источников тока в часах, микрокалькуляторах, в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях. С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

Эйнштейн выдвигает предположение, что свет сам по себе имеет корпускулярную природу, что имеет смысл смотреть на свет не как на поток волн, а как на поток частиц. Эйнштейн, вводя фотоны, совсем не отбрасывал волновую теорию света. Это видно уже из самой гипотезы о фотонах - энергия фотона пропорциональна частоте света. Можно сказать так: свет - ни волны, ни корпускулы в подлинном смысле этих слов, а нечто такое, что в опыте проявляется иногда как волны (интерференция, дифракция, поляризация), а иногда как поток корпускул, фотонов (черное излучение, фотоэффект и др.). И той и другой картиной - волновой и корпускулярной - приходится пользоваться смотря по обстоятельствам. Для описания одних явлений более подходит волновая точка зрения на свет, для описания других - фотонная. К настоящему времени построена единая непротиворечивая теория (квантовая теория поля или квантовая электродинамика). Она находится за пределами нашего курса, и мы ее (по причине сложности) не будем рассматривать, а удовлетворимся изложенной наглядной точкой зрения.

Практически одновременно возникли две теории света, связанных с именами Ньютона и Гюйгенса. Согласно Ньютону свет представлял собой поток неких световых частиц. Прямолинейное распространение света в этом случае объясняется тем, что свободные частицы движутся по прямой линии по инерции. Отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика.
Лабораторная работа по физике Волновая и квантовая оптика