3.1. Корпускулярные свойства света при фотоэффекте
Открытие широко используемого теперь явления фотоэффекта следует отнести к 1887 году, когда Генрих Герц обнаружил, что освещение ультрафиолетовыми лучами искрового промежутка, находящегося под напряжением, приводит к проскакиванию искры.
Наблюдалось это только при освещении отрицательного электрода, а при освещении положительного электрода для образования искры нужно было увеличить напряжение. Позднее это явление подробно исследовали независимо друг от друга А.Г. Столетов (1888) и Ф. Ленард (1899). Первое теоретическое объяснение фотоэффекта дал А. Эйнштейн (1905).Внешний фотоэффект заключается в выбивании электронов с поверхности металла при его освещении. Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках и диэлектриках. При нём электрон, отщеплённый от атома под действием света, остаётся внутри вещества.
 |
Для наблюдения внешнего фотоэффекта нужно иметь фотоэлемент — откачанный стеклянный баллон с двумя электродами, и очень чувствительный гальванометр (рис. 3.1). Один из электродов — катод, выполненный в виде пластины, которая может быть и вогнутой, нужно осветить. Электроны, выбитые светом с поверхности пластины, будут иметь произвольно направленные скорости, как показано на рис. 3.1. Небольшая часть этих электронов попадёт на второй электрод — анод, выполненный в виде сетки либо шарика (такая форма электрода выбирается для того, чтобы не мешать прохождению света). Если к электродам подключить гальванометр (микроамперметр), он зафиксирует возникновение небольшого нулевого тока i0.
Схему опыта можно несколько изменить, подав на анод положительный потенциал (рис. 3.2). Тогда выбитые электроны получат под действием электрического поля преимущественное направление движения к аноду.
Если к устройству приложить поле противоположного направления, подключив к катоду плюс батареи, а к аноду — минус, то движение выбитых электронов будет тормозиться, и до анода дойдёт меньшее число электронов, чем при U = 0. Сила тока с ростом замедляющего напряжения будет уменьшаться, и когда даже самые быстрые электроны не смогут пробиться к аноду, станет равна нулю. В этом случае их кинетическая энергия вся пойдёт на работу против сил поля:
 . | (3.1) |
Здесь umax — наибольшая скорость выбитых электронов; Uз — запирающее напряжение, то есть наименьшее отрицательное напряжение, при котором ток фотоэлемента равен нулю. Иногда его называют задерживающим потенциалом.
Кривая зависимости фототока от напряжения носит название вольтамперной характеристики и имеет три характерных параметра: ток насыщения iн , нулевой ток i0 и запирающее напряжение Uз, которые изменяются при изменении интенсивности и частоты падающего света.
Изменение интенсивности света I при постоянстве его частоты легко осуществить, приближая или удаляя источник света. Сила фототока при этом будет меняться: чем бoльшую энергию принесёт свет, тем большее число электронов будет выбито с поверхности пластины.
Третья закономерность несколько сложнее. Увеличение интенсивности света приводит к возрастанию фототока во всем диапазоне напряжений, включая и замедляющее поле. На рис. 3.3 вольтамперная характеристика, снятая при бόльшей интенсивности света, показана пунктиром. Но, как показали точные измерения Ф. Ленарда, увеличение интенсивности падающего света не влияет на величину запирающего напряжения, т.е. электроны покидают металл с прежней скоростью. Независимость запирающего напряжения от интенсивности света и есть третья закономерность фотоэффекта.
С позиций максвелловской теории, оправдавшей себя в многочисленных опытах, интенсивность света определяется квадратами напряжённостей электрического и магнитного полей, принесённых светом. Согласно закону сохранения энергии, именно за счёт поглощения энергии волны электрон вырывается из металла, преодолевая удерживающие его там силы, и приобретает кинетическую энергию. Обозначив поглощённую электроном энергию W1, получим
 . | (3.2) |
Через А в этом равенстве обозначена работа выхода электрона, которая зависит не только от металла, но и от подложки, на которую он нанесён. У чистых металлов работа выхода от 2 до 5 эВ.
Увеличение энергии W упавшей на вещество волны должно привести не только к увеличению числа выбитых электронов (возрастанию тока), но и, согласно (3.2), к увеличению их кинетической энергии, а значит и запирающего напряжения Uз . Наблюдающееся в опыте постоянство Uз с изменением интенсивности света совершенно непонятно с точки зрения электромагнитной теории Максвелла.
Представления о свете как об электромагнитной волне позволяют, таким образом, объяснить первую и вторую закономерности фотоэффекта, но вызывают затруднения в объяснении третьей закономерности.
Опыты Столетова также показали, что изменение частоты света (при неизменной, разумеется, интенсивности) не влияет на величину фототока. Но при достижении некоторой граничной частоты n0 , которая имеет различные значения для разных металлов, фототок вообще прекращался, т. е. электроны не выходили из металла даже при очень ярком освещении (рис. 3.5). Наличие граничной частоты (красной границы фотоэффекта l0 = с/n0) — четвёртая закономерность фотоэффекта.
Опыты также показали, что изменение частоты света влияет на запирающее напряжение. Чем больше частота, тем больше Uз . Экспериментальная зависимость запирающего напряжения от частоты света представлена на рис. 3.6, из которого следует, что при увеличении частоты линейно возрастает и запирающее напряжение. Левая прямая получена для фотоэлемента, у которого катод выполнен из цезия. У второго фотоэлемента материал катода — серебро. (Обратите внимание — угол наклона графиков один и тот же)! Равенство нулю задерживающего потенциала означает (см. выражение (3.1)), что при определённой частоте, характерной для каждого металла, электроны, вырванные с его поверхности, обладают нулевой скоростью. Энергии света хватило лишь на то, чтобы преодолеть силы, связывающие его с металлом, сделать его свободным. Сообщить электрону скорость свет уже не смог. Частота n0, при которой Uз = 0 и есть граничная частота фотоэффекта. С частотой падающего света связаны, таким образом, две последние закономерности фотоэффекта. Они не могут быть поняты на основе волновых представлений о свете, поскольку энергия волны от частоты не зависит.
Объяснить все закономерности фотоэффекта, включая существование его граничной частоты, можно лишь на основе новых, квантовых представлениях о свете, которые развил А. Эйнштейн. Он опирался на гипотезу квантов, введённую Планком для объяснения законов теплового излучения. Согласно последней свет рождается порциями, величина которых определяется частотой излучения. В дальнейшем свет ведёт себя как электромагнитная волна, что доказывается наблюдением дифракции, интерференции, поляризации. Эйнштейн счёл необходимым признать, что свет не только рождается квантами, но и распространяется, и взаимодействует с электронами и атомами вещества как поток частиц, энергия которых определена в (1.42). Интенсивность света определяется числом N1 квантов, падающих на единицу поверхности за единицу времени: для монохроматического света I = N1hn. Чем больше квантов, тем большее число электронов выбивает свет с поверхности металла, и тем больше фототок i. Если принять, что один квант выбивает один электрон, то, согласно Эйнштейну, энергия кванта распределяется следующим образом:
 , | (3.3) |
где umax — наибольшая скорость фотоэлектронов. Ясно, что с уменьшением частоты может меняться лишь кинетическая энергия выбитого электрона. При равенстве её нулю энергии кванта достаточно лишь для сообщения работы выхода А, т.е. соответствующая граничной частоте минимально необходимая энергия кванта hn0 = A.
Уравнение (3.3) получило название уравнения Эйнштейна. Оно не только объясняет существование красной границы фотоэффекта. Величина кинетической энергии, а значит и задерживающий потенциал Uз оказываются линейной функцией частоты, что соответствует опытным фактам. Работы Эйнштейна по фотоэффекту привели к необходимости признать волновые представления о свете неполными, требующими дополнения.