§ 183. Законы фотоэлектрического эффекта

426

Гл. XXI. Действия света

Ультрафиолетовое излучение, падающее на пластинку 1, про-

никает через кварцевое окошко 3. Электроны, вылетающие из

пластинки 1, попадают в электрическое поле, имеющееся между

обеими пластинками. Напряжение между пластинками можно

изменять путем перемещения движка 4 потенциометра.

Если поле достаточно сильно и направлено так, что оно

увлекает электроны от пластины 1 к пластинке 2, то все вы-

летевшие электроны достигают пластинки 2, а следовательно,

через гальванометр идет ток, который определяется числом элек-

тронов, освобождаемых светом за единицу времени. Этот ток,

называемый током насыщения, и определяет силу фототока.

Если же поле тормозит электроны, то, сделав его достаточно

сильным, можно задержать в с е вылетевшие электроны. По на-

пряженности задерживающего поля можно определить скорость

вылетающих электронов.

Пусть скорость вылетающего электрона равна v, его масса

m и заряд

−e

1

). Кинетическая энергия этого электрона рав-

на

1

/

2

mv

2

. Обладая такой энергией, электрон может пролететь

сквозь тормозящее поле, создаваемое разностью потенциалов U ,

если eU меньше или равно

1

/

2

mv

2

. О пределив то н а и м е н ь-

ш е е значение U , которое задерживает электроны, освобожден-

ные светом, мы найдем скорость этих электронов из условия

1

2

mv

2

= eU, v =



2

eU

m

.

Исследование при помощи опытов, подобных описанному,

установило следующие законы фотоэффекта.

1. Число электронов, освобожденных светом за единицу

времени (т. е. ток насыщения), прямо пропорционально све-

товому потоку.

2. Скорость вылетающих фотоэлектронов не зависит от

освещенности, а определяется частотой света.

Схема, изображенная на рис. 331, непригодна для т о ч н ы х из-

мерений. При расстоянии между пластинами большем по сравнению

с их размерами, не удается перехватить все электроны, освобожденные

светом (получить истинное значение силы тока насыщения), и за-

труднительно установить точное значение

U

, определяющее скорость

фотоэлектронов. Более совершенным является предложенный П. И. Лу-

кирским прибор, в котором электроды образуют с ф е р и ч е с к и й

1

) Здесь буквой e обозначен элементарный заряд, т. е. положительный за-

ряд, равный абсолютной величине заряда электрона. Сам заряд электрона

отрицателен и равен

−e.

Гл. XXI. Действия света

427

конденсатор: один электрод — небольшой шарик в центре сферы, по-

верхность которой образует второй электрод. Такой прибор позволяет

надежно определять ток насыщения и задерживающий потенциал

U

,

а следовательно, определять фототок и максимальную скорость выле-

тающих электронов.

Естественно возникает вопрос, как зависят количество и ско-

рость освобождаемых светом электронов от вещества освещен-

ного металла.

Исследование вылета электронов из нагретых металлов

(см. том II, §§ 89 и 90) показало, что каждому веществу

соответствует своя работа выхода, т. е. каждый металл харак-

теризуется определенной энергией, которую необходимо сообщить

электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие

его внутри металла. К совершенно тем же выводам мы приходим,

изучая испускание электронов

п о д д е й с т в и е м с в е т а.

Для некоторых металлов удалось определить работу выхода как

при помощи явления испускания электронов при нагревании, так

и при помощи фотоэлектрического эффекта. Оба метода дали

одни и те же значения. Так, например, для вольфрама получены

следующие значения работы выхода:

7,18

· 10

−

19

Дж по фотоэлектронной эмиссии,

7,23

· 10

−

19

Дж по термоэлектронной эмиссии.

Пусть из некоторого металла, для которого работа выхода

равна A, под действием света частоты ν вырываются электроны

со скоростью v, т. е. обладающие кинетической энергией

1

/

2

mv

2

.

Таким образом, вся энергия, сообщенная каждому электрону,

W = A +

1

/

2

mv

2

. Опыты, подобные описанным выше, показа-

ли, что полная энергия, сообщаемая электрону светом, прямо

пропорциональна частоте света, W = A +

1

/

2

mv

2

= hν, где h —

постоянная величина. Эта постоянная не только не зависит от ча-

стоты света и освещенности, но сохраняет одно и то же значение

для в с е х веществ. Поэтому h является

фундаментальной по-

стоянной. Она получила название постоянной Планка в честь

немецкого физика Макса Планка. Из описанных опытов можно

определить h, ибо величины A, mv

2

и ν могут быть измерены.

Для h получено значение 6,6

· 10

−

34

Дж

· с.

Пользуясь найденными соотношениями, второй закон фото-

эффекта можно формулировать так: полная энергия, получаемая

электроном от света частоты ν, равна hν.

Испуская под действием света электроны, металл должен заря-

жаться положительно. Вследствие этого возникает электрическое поле,

428

Гл. XXI. Действия света

з а т р у д н я ю щ е е дальнейшее испускание электронов. Какова же

предельная разность потенциалов

U

между освещаемой пластинкой

и стенами лаборатории (землей), возникновение которой будет пре-

пятствовать дальнейшему уходу электронов с пластинки? В условиях

опыта, изображенного на рис. 330, эта разность потенциалов определя-

ется по показаниям электрометра. На поставленный вопрос нетрудно

ответить, пользуясь основными соотношениями, приведенными выше:

A +

1

2

mv

2

= hν

и

eU =

1

2

mv

2

,

где

e

— элементарный заряд

1

). Сделав соответствующее вычисле-

ние для пластинки вольфрама (для которого, как сказано,

A =

7,2

×

×

10

−19

Дж), освещаемой ультрафиолетовым излучением с длиной

волны

λ =

200 нм, мы найдем, что

U

≈

1,7 В. Другими словами, для

того чтобы наблюдать на опыте явление положительной зарядки метал-

ла под действием излучения, надо располагать чувствительным элек-

трометром или работать с излучением очень короткой длины волны,

например с рентгеновским (см. упражнение 37 в конце главы). Найдя

в соответствующем опыте

U

, мы можем использовать эти данные для

определения длины волны рентгеновского излучения.

жүктеу/скачать 6,71 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: