Файл: FP_Opt_i_at_f_2.pdf

С

р. зн.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Тепловое излучение и его характеристики.

2.Абсолютно черное тало. Закон Кирхгофа.

3.Закон Стефана - Больцмана и Вина.

4.Формула Релея - Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа.

5.Формула Планка.

6.Устройство оптического пирометра.

7.Рабочая формула и ход работы.

ЛИТЕРАТУРА

1.И.В.Савельев. Курс общей физики, т.2.- М.: «Наука» 1979, с.9.

2.Т.И.Трофимова. Курс физики, М.: «Высшая школа», 2002г., с.367-

376.

3. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Курс физики, т.3. – М.: «Высшая школа», 1979г. с.200-215.

48

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.9

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Одним из проявлений взаимодействия света с веществом является фотоэлектрический эффект (фотоэффект).

Фотоэффектом называется полное или частичное освобождение электронов от связей с атомами вещества под действием света.

Если электроны выходят за пределы освещаемого образца ( полное освобождение ) , фотоэффект называется внешним . Если же электроны теряют связь только со своими атомами и молекулами , но остаются внутри освещенного вещества в качестве « свободных » электронов ( частичное освобождение ) , фотоэффект называется внутренним . Освобожденные светом электроны называются фотоэлектронами

Фотоэффект присущ всем без исключения телам (твердым, жидким, газообразным). В газах фотоэффект сопровождается ионизацией молекул газа и называется фотоионизацией.

Внешний фотоэффект открыл в 1887 г. немецкий ученый Генрих Герц и подробно исследовал в 1890 г. русский ученый Столетов.

Он описывается тремя законами.

1 закон. Число фотоэлектронов, вылетающих с единицы поверхности освещенного вещества за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2 закон. Скорость фотоэлектронов увеличивается с ростом частоты света и не зависит от интенсивности света.

3 закон. Фотоэффект возникает при определенной для данного вещества минимальной частоте или максимальной длине волны света , называемой «красной границей» фотоэффекта .

Возникновение и первый закон фотоэффекта можно объяснить волновой теорией света, согласно которой свет излучается, распространяется и поглощается в виде непрерывной электромагнитной волны, которая может переносить любую энергию. Электрическое поле световой волны, воздействуя на электроны внутри освещаемого вещества , возбуждает их колебания. Амплитуда вынужденных колебаний электронов пропорциональна амплитуде световой волны и может достичь такого значения, при котором связь электронов с веществом нарушается, и электроны покидают вещество - тогда и наблюдается фотоэффект.

Однако , 2 и 3 законы не только не объясняются волновой теорией света, но и противоречат ей. В самом деле, скорость вылетевших фотоэлектронов должна возрастать с амплитудой электромагнитной волны, а, следовательно, с увеличением ее интенсивности (интенсивность света пропорциональна

49

квадрату амплитуды световой волны). Но опыт показывает, что скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света.

Все законы фотоэффекта легко объясняются квантовой теорией света, разработанной Эйнштейном в 1905 году на основе квантовой теории излучения, созданной Планком в 1900 г. По квантовой теории излучения энергии телом происходит не непрерывно, а порциями (квантами). Энергия каждой порции электромагнитного излучения:

где h 6 , 62 10 34Дж с - постоянная Планка,

- частота, - длина волны излучения.

Эйнштейн развил теорию Планка, предположив, что свет не только излучает, но и распространяется и поглощается веществом такими же порциями (квантами). Позже они были названы фотонами. Применяя к явлению фотоэффекта в металлах закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу:

max - максимальная скорость фотоэлектрона,

m - масса электрона .

Согласно Эйнштейну каждый фотон поглощается только одним электроном, причем часть энергии падающего фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из металла, а оставшаяся часть

сообщает электрону кинетическую энергию m 2 .

2

Заметим, что вылетевшие из металла фотоэлектроны обладают различной скоростью, т.к. кинетическая энергия электронов в металле различна, и для удаления за пределы металла разным электронам надо сообщить неодинаковую энергию. Наибольшей скоростью обладают те вылетевшие из металла электроны, для вырывания которых нужно затратить наименьшую энергию, равную работе выхода.

Формула Эйнштейна хорошо объясняет законы фотоэффекта. Из нее видно, что скорость фотоэлектронов увеличивается с ростом частоты

падающего света и не зависит от его интенсивности (т.к. А и ν не зависят от

интенсивности). Фотоэффект в металле может произойти при условии , если

h А .

В противном случае энергия фотона будет недостаточна для вырывания электрона.

Наименьшая частота света min , под действием которого происходит

50

фотоэффект , называется красной границей фотоэффекта. Она определяется из условия:

Обычно ее выражают через максимальную длину волны:

Из квантовой теории следует, что интенсивность света пропорциональна числу квантов. Поэтому число выбитых фотонов пропорциональна интенсивности света , - так объясняется 1 закон фотоэффекта.

В полупроводниках и диэлектриках помимо внешнего фотоэффекта наблюдается внутренний . Он происходит при условии A h A 1 и сопровождается образованием свободных электронов , увеличивающих проводимость вещества, A 1 - работа отрыва электрона от атома. В металлах внутренний фотоэффект не наблюдается , т.к. в них имеется много

свободных электронов 10 22 10 23 см 3 и незначительное увеличение их числа за счет внутреннего фотоэффекта практически не отражается на электропроводности металла . В диэлектриках энергия связи электрона с атомами велика , поэтому ни внутренний , ни внешний фотоэффект в диэлектриках практического применения не имеет .

В заключении подчеркнем, что фотоэффект, вскрывая квантовую природу света , не отвергает волновую природу , а дополняет ее. Свет сложный электромагнитный процесс , обладающий двойственной (корпускулярно-волновой) природой . В одних явлениях, таких как интерференция, дифракция, поляризация, проявляется волновая природа света, в других - излучение, фотоэффект и др. - квантовая природа света.

Фотоэлементы

На основе внешнего и внутреннего фотоэффекта создано множество приборов, преобразующих световой сигнал в электрический. К ним относятся фотоэлементы,