Законы внешнего фотоэффекта

При изучении внешнего фотоэффекта для получения точных результатов необходимо применять электроды из химически чистых материалов, помещать их в высоком вакууме, чтобы устранить влияние воздуха на фототок, и использовать монохроматическое излучение. Схема такой установки изображена на рис. 35.4.

Напряжение на электродах измеряется вольтметром V и регулируется перемещением скользящего контакта Д. Направляя монохроматический свет на отрицательно заряженный электрод А, измеряют возникающий фототок гальванометром G.

Если при неизменном световом потоке Ф постепенно повышать напряжение, то фототок вначале возрастает, а затем становится постоянным, т. е. перестает зависеть от напряжения (рис. 35.5). Наибольший фототок, получающийся при неизменном световом потоке, называется фототоком насыщения. Очевидно, фототок насыщения получается при таких напряжениях, когда все электроны, вырванные световым потоком из электрода А, достигают электрода В. Следовательно, фототок насыщения может служить количественной мерой фотоэффекта. Постепенно увеличивая световой поток, падающий на электрод А, и измеряя фототок насыщения можно установить первый закон внешнего фотоэффекта: фототок насыщения прямо пропорционален падающему на электрод световому потоку.

Если при неизменном световом потоке уменьшать напряжение, то при достаточно малых значениях напряжения фототок начинает уменьшаться, однако даже при напряжении, равном нулю, ток в цепи не исчезает. Это означает, что падающее на электрод излучение, вырывая из него электроны, сообщает им кинетическую энергию.

Эту энергию можно найти так. Поменяем местами полюсы батареи Б. Тогда электрическое поле между электродами А и B будет тормозить движение электронов от А к В. Постепенно усиливая задерживающее поле, можно совсем прекратить фототок (рис. 35.5). В этом случае даже электроны, вылетевшие с максимальной скоростью, уже не могут преодолеть тормозящее действие электрического поля и долететь до электрода B. Если обозначить наименьшее задерживающее напряжение, при котором фототока нет, через U3, максимальную скорость выбиваемых электронов — через v_макс, а заряд и массу электрона — соответственно через е и m, то можно написать:

mv²_макс/2 = eU₃            (35.5)

так как наибольшая кинетическая энергия электронов в этом случае равна выполненной ими работе против сил электрического поля на пути от электрода A до B. Следовательно, измерив, задерживающее напряжение U₃, при котором прекращается фототок, можно определить максимальную кинетическую энергию выбиваемых излучением электронов.

Эти измерения позволили установить второй закон внешнего фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия выбиваемых излучением электронов не зависит от интенсивности излучения, а определяется только его частотой (или длиной волны X) и материалом электрода.

Если на электрод поочередно направлять различные монохроматические излучения, то можно заметить, что с увеличением длины волны излучения кинетическая энергия выбиваемых электронов уменьшается и при достаточно большой длине волны фотоэффект исчезает. Наибольшая длина волны, при которой еще можно наблюдать фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта для данного материала.

Опыты с электродами из различных материалов позволили установить третий закон внешнего фотоэффекта: красная граница фотоэффекта определяется только материалом электрода и не зависит от интенсивности излучения.