3. Опыты столетова.

ЗАКОНЫ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

3.1. Схема экспериментальной установки Столетова, которая в усовершенствованном виде применяется в настоящее время, показана на рис.1. Два электрода помещены в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Поток света падает на фотокатод (один из электродов). Другой электрод (анод) принимает поток электронов, вылетевших из фотокатода под действием света. Такая схема представляет собой замкнутый контур, в котором течёт электрический ток, названный позже фототоком.

Схема для исследования внешнего фотоэффекта

Рис.1

Примечание: подробное описание опытов Столетова имеется в специальной научной литературе. Краткая характеристика результатов этих опытов приведена в «Биографическом справочнике «Физики»» (Ю.А.Храмов. М.: «Наука», 1983), где сказано, что А.Г.Столетов «в 1888 – 1890 гг. выполнил цикл работ по исследованию явления внешнего фотоэффекта, … создал первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, и применил его на практике; рассмотрел вопрос об инерционности фотоэффекта и оценил его запаздывание по отношению к освещенности в 0,001 с. Открыл прямую пропорциональность силы фототока от интенсивности падающего света…, обнаружил фототок насыщения и показал его независимость от потенциала. Является основоположником количественных методов исследования фототока».

Опыты по исследованию внешнего фотоэффекта, проведённые на изобретённом Столетовым фотоэлементе, имеют фундаментальное значение в истории физики. Полученные в таких опытах зависимости электротока от частоты излучающего свет осциллятора, от интенсивности света и разности потенциалов между катодом и анодом фотоэлемента не могли быть объяснены на основе существовавших в 1888 – 1890 гг. представлений о природе световых и электрических явлений. Тогда еще не было известно об элементарных частицах: фотоне – носителе элементарного кванта излучаемой энергии; а также – электроне и протоне – частицах вещества с элементарными электрическими зарядами: отрицательным и положительным, соответственно.

В годы жизни А.Г.Столетова (1839 – 1896 гг.) имелось только общее понятие об отрицательном и положительном электричестве. Как известно, отрицательным условились называть электричество (от греч. electron - янтарь), вызывающее механическое движение – взаимное «отталкивание» кусочков янтаря. Стеклянная палочка «притягивает» к себе кусочки янтаря – такое электричество условились называть положительным. Физическая причина появления отрицательных и положительных зарядов оставалась загадочной до 1897 г., когда Дж.Дж.Томсон в опытах с так называемыми «катодными лучами», испускаемыми раскалённым металлом в вакуумной установке, обнаружил, что эти «лучи» состоят из отрицательно заряженных частиц, названных электронами.

В 1899 г. А.Ленард провел аналогичный эксперимент с фотокатодом и установил, что под действием света из металла вылетают такие же частицы – электроны.

В 1900 г. М.Планк теоретически доказал, что тела излучают в пространство дискретные кванты энергии, величина которых определяется частотой излучающих осцилляторов. Носители таких квантов энергии получили название – фотоны.

Опыты Столетова, совместно с результатами исследований спектров излучения, явились экспериментальным подтверждением новой, квантовой теории физических явлений. Особое значение опытов Столетова (которые были проверены во многих странах на усовершенствованном оборудовании) состоит в том, что в этих опытах впервые было показано, что взаимодействие элементарных частиц – фотонов и электронов – происходит при условии выполнения основного физического закона сохранения энергии.

3.2. Установлены три закона внешнего фотоэффекта:

3.2.1. Закон Столетова. При фиксированной частоте излучающего свет осциллятора число электронов N_e, вылетающих из фотокатода, пропорционально интенсивности света Ф, т.е. числу фотонов, падающих на поверхность фотокатода:

при const: .

3.2.2. Максимальная скорость v_max вылетающих из фотокатода электронов не зависит от интенсивности света, а определяется только частотой  излучающего свет осциллятора, т.е. максимальная кинетическая энергия вылетающих из фотокатода электронов пропорциональна величине кванта энергии фотонов:

.

3.2.3. Для каждого вещества фотокатода существует граничная частота _гр излучающего свет осциллятора, ниже которой внешний фотоэффект отсутствует (т.е. работа выхода превышает величину поглощённого каждым электроном кванта энергии и в результате электроны не могут вылететь из фотокатода).

На рис.2 и 3 приведены вольтамперные характеристики, т.е. графики зависимости фототока I от разности потенциалов (напряжения) U между анодом и катодом. Такие графики дают наглядное представление о содержании первого и второго законов внешнего фотоэффекта. Здесь на горизонтальной оси обозначено напряжение U, которое (по отношению к катоду) может быть положительным (правая часть графика) и отрицательным (левая часть графика), либо равным нулю.

Вольтамперные характеристики фотоэлемента

при различных интенсивностях падающего на катод света

Рис.2

Вольтамперные характеристики фотоэлемента

при различных частотах осциллятора источника света

Рис.3

Примечание: Исследование вольтамперных характеристик выполняется на установке, принципиальная схема которой, показанная на рис.1, дополнена переключателем полярности внешнего источника и реостатом – регулятором напряжения. Такая схема будет использована в лабораторной работе (см. рис.5).

Графики на рис.2 и рис.3 показывают, что при существует фототок (), поскольку часть электронов (вылетающих с более высокими скоростями с катода под действием света интенсивностью ) «самостоятельно» достигает анода и возвращается на катод по внешнему участку цепи, где соответствующий ток измеряется с помощью гальванометра. В современных фотоэлементах при умеренной интенсивности  видимого глазом человека света ( ~ 10¹⁴ с^-1) величина такого фототока А.

Если напряжение положительное, т.е. анод имеет положительный заряд (по отношению к катоду) то силы Кулона дополнительно «притягивают» к аноду вылетающие из катода электроны, и ток в цепи увеличивается. С ростом напряжения ток увеличивается до тех пор, когда все вылетающие из катода электроны «притягиваются» к аноду. При этом ток достигает максимальной величины (ток насыщения ) и не зависит от напряжения.

На рис.2 приведены графики при постоянной частоте  излучающего осциллятора и трёх интенсивностях света . На рис.3 – графики при трёх частотах осцилляторов, излучающих свет с одной и той же интенсивностью . Расположенные справа участки графиков показывают, что величина тока насыщения пропорциональна интенсивности света (в соответствии с первым законом внешнего фотоэффекта).

Участки графиков, соответствующие отрицательному напряжению на аноде (по отношению к катоду), показывают, что величина тока уменьшается с ростом отрицательного заряда анода. Это объясняется тем, что теперь силы Кулона «отталкивают» летящие к аноду электроны. Такой процесс уменьшения тока при увеличении отрицательного напряжения продолжается до тех пор, пока самые быстрые электроны останавливаются (не достигая анода) и возвращаются на катод. Ток во внешней цепи исчезает при отрицательном напряжении U_зд, которое называется задерживающим напряжением.

Применяя теорему об изменении кинетической энергии точки – электрона, имевшего при вылете из катода максимальную кинетическую энергию , которая уменьшается до нуля при остановке электрона, запишем уравнение:

, (5)

где – работа сил Кулона, действующих на электрон со стороны анода; e и m – соответственно заряд и масса электрона.

Из уравнения (5) получаем:

. (6)

Согласно выражению (6), максимальная скорость вылетающих из катода электронов не зависит от интенсивности света. Скорость можно найти, если измерить задерживающее напряжение U_зд, которое, как показывают графики рис.2, 3, изменяется только при изменении частоты  излучающего свет осциллятора. Графики на рис.2, 3 также подтверждают, что (в соответствии со вторым законом внешнего фотоэффекта) величина v_max не зависит от интенсивности света, т.к., например, на рис.2 величина U_зд постоянна при разных значениях интенсивности , а на рис.3 – величины U_зд изменяются при постоянной интенсивности .