5.2 Законы внешнего фотоэффекта (законы Столетова)

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлементов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость (максимальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой , а именно линейно возрастает с увеличением частоты.

3. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота света при котором свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

4. Безынерционность фотоэффекта сразу кажется, что не должно быть трудностей при объяснении фотоэффекта с волновой точки зрения. Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонаторе) может быть достигаться для того, чтобы электроны покинули металл, тогда и наблюдается фотоэффект. Но кинетическая энергия должна быть зависит от интенсивности падения света, так как с увеличением интенсивности, передается большая энергия. Однако, это противоречит второму закону.

Далее по теории, передаваемая электронам энергия приблизительна равна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должно быть бы вырывать электроны из металла, т.е. «красная граница» не должна существовать (это против третьего закона).

И нужно было время, чтобы раскачать электрон, т.е. нарушена безынерционность фотоэффекта (закон четвертый).

5.3 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

А. Эйнштейн в 1900г. Показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могли быть объяснены на основе предположений.

Согласно Эйнштейну, свет частотой не только испускается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями.

Энергия кванта:

(5.4)

где - постоянная Планка ().

Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процессе, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью света в вакууме.

Эти кванты электромагнитных излучением получили название фотон. По Эйнштейн, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотонов должны быть пропорционально интенсивности света (первый закон).

Безыинерциальный (четвертый) объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно. Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работа выхода из металла и на сообщение вылетавшего фотоэлектрона кинетическая энергия.

По закону сохранения энергии (уравнение Эйнштейна или фотоэффекта):

(5.5)

Оно позволяет объяснить второй и третьи закон. Из (5.3) видно, что максимальна кинетическая энергия линейно возрастает с возрастанием , и не зависит от интенсивности (от числа фотона), так как на, ниот интенсивности не зависит (второй закон). Так как при убывании частоты света кинетическая энергия фотоэффекта убывает.

(5.6)

Это и есть «красная граница» для данного металла.

5.4 Применение фотоэффекта

1. Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы

2. вентильные фотоэлементы

3. фоторезисторы

Фотоэлементы – приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.

Простейший фотоэлементам с внешним фотоэффекта – вакуумный фотоэлемент откаченный стенки баллон, внутренней которого покрыта слоем. Они используются фотометрическим приборов.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом называется вентильным или фотоэлементами с запирающим светом. Они испытываются для создания солнечных батарей.

Фотоэлементы основные на внутреннем фотоэффекте называется полупроводниками фотоэлементами или фоторезисторами.

Они очень малогабаритны, имеют низкое напряжение питания но они обладают заметной инертности следовательно непригодны для регистрации быстро переменных световых потоков.

Рассмотренные виды фотоэффекта используются для контроля, управления, автоматизации различных процессов, в волной технике для сигнализации и локализации невидимых излучений, в технике звукового кино, в различных системах связи и т.д.