Контрольные вопросы

1. Двателаимеютодинаковую яркостьсвечениявузкомдиапазонечастот.При какихсоотношенияхмеждупоглощательными способностямителвозмож-ныследующие варианты неравенства температур:T₁T₂,T₁T₂,T₁T_2?

2. Два тела имеют одинаковую температуру. При использовании зелено- го светофильтра наблюдается одинаковая яркость свечения тел. По какой причине может нарушиться равенство яркости свечения этих тел, если заме- нить зеленый светофильтрсиним?

3. Шар и тонкая пластина имеют одинаковую массу. При пропускании электрического тока в них выделяется равное количество теплоты. Темпера- тура какого тела достигнет большего значения в состоянии термодинамиче- ского равновесия?

4. Каким методом измеряются температура пластины и яркость свечения ее поверхности в даннойработе?

5. Объясните, в чем заключалась «ультрафиолетовая катастрофа» теории Рэлея–Джинса.КаковбылпредложенныйПланкомметодрешениянесоот-

6. Тепловое излучение абсолютно черного тела проходит через свето- фильтр. На какой частоте пропускания светофильтра будет наблюдаться мак- симальная интенсивность прошедшегоизлучения?

Лабораторная работа 11. Исследование внешнего фотоэффекта

Цели работы: исследование закономерностей эффекта фотоэлектронной эмиссии (внешнего фотоэффекта); измерение работы выхода электрона и красной границы эффекта для материала фотокатода.

Общие сведения

Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) – это поток электро- нов, который возникает при облучении светом поверхности металла и на- правлен вдоль нормали к поверхности. В результате эмиссии электронов в фотоэлементе изменяется, например, электропроводность вакуумного про- межутка между двумя металлическими электродами. Измерение силы тока, протекающего в этом промежутке при разной освещенности фотокатода, при разном спектральном составе излучения и т. д., составляет основу метода экспериментального исследования внешнего фотоэффекта.

В фотоэффекте проявляется корпускулярные свойства электромагнитно- го излучения. В квантовой теории электромагнитное излучение представляют ввидепотокачастиц(фотонов),движущихсяспостояннойскоростью

^с3108м/с. Фотон имеет нулевую массу покоя, обладает энергиейE_фh

и импульсом

p_фh

c. Неупругое столкновение (поглощение) фотона с

электроном проводимости металла обеспечивает необходимые условия для выхода электрона за пределы объема вещества. При таком взаимодействии фотона с электроном выполняется закон сохранения энергии:

E_e1E_фE_e2, (11.1)

где

E_e– энергия электрона; индексы 1 и 2 соответствуют моментам времени

до и после столкновения. После взаимодействия с фотоном приобретенная

энергия электрона

^Ee2

частично расходуется на преодоление потенциально-

го барьера, удерживающего электрон внутри металла, оставшаяся часть со- ставляет его кинетическую энергию:

hAW_k, (11.2)

гдеA– работа выхода электрона из металла;W_k

• кинетическаяэнергиявы-

шедшего электрона. Соотношение(11.2) носитназваниеуравненияА.Эйн-штейнадляфотоэффекта.Приэнергияхфотона, малыхпосравнениюсэнерги-ейпокояэлектрона, кинетическуюэнергию можно найтипонерелятивистской

e

^{формуле}W_km²v

2^{.Из(11.2),вчастности, следует,чтотолькоприпоглоще-}

нии фотона с энергиейh> Aэлектрон может выйти за пределы вещества.

При фотоэффекте лишь малая доля падающих на металл фотонов при- водит к выбиванию электронов из образца. Это связано, прежде всего, с ма- лой глубиной выхода фотоэлектронов, которая значительно меньше глубины поглощения света в металле. Большинство фотоэлектронов рассеивает свою энергию до подхода к поверхности и теряет возможность выйти наружу. При энергии фотонов вблизи порога фотоэффекта большинство фотоэлектронов возбуждается ниже работы выхода и не дает вклада в фотоэмиссионный ток. Кроме того, коэффициент отражения в видимой и ближней УФ-областях ве- лик, и лишь малая часть излучения поглощается в металле. Число эмитиро- ванных электронов в расчете на один фотон, падающий на поверхность тела, называется квантовым выходомK. ВеличинаKопределяется свойствами ве- щества, состоянием его поверхности и энергией фотонов.

В результате количество вышедших электронов

dN_e

оказывается про-

порционально количеству фотонов

течение интервала времениdt:

dN_ф, падающих на поверхность металла в

dN_e

dtKdN_ф

dt. (11.3)

Освещенность, определяемая как количество энергии, падающей на еди- ницу площадиSповерхности в единицу времени при облучении монохрома-

тическим светом пропорциональна потоку

dN_ф

dtфотонов

_Фhv

dN_ф

. (11.4)

S dt

Поток электронов, индуцированный светом, неразрывно связан с пото- ком электрического заряда от поверхности металла в окружающее простран- ство. Из (11.3), (11.4) следует, что количество заряда, переносимого в едини- цу времени за счет фотоэлектронной эмиссии, пропорционально освещенно- сти поверхности металла:

Ie^dNeeK^dNф^eKS. (11.5)

dt dt h

Соотношение (11.5) известно как закон Столетова.