Генрих Герц. Открытие внешнего фотоэффекта

Рассмотрев вопрос об инерционности фототока, Столетов заметил, что время запаздывания фототока по отношению к моменту освещения фотокатода ничтожно, и оценил его в 0.001 секунды.Столетов обнаружил также то, что зависимость фототока от напряжения не является линейной: «Ток приблизительно пропорционален электродвижущей силе лишь при наименьших величинах этой последней, а затем, по мере ее возрастания, хотя и растет также, но все медленнее». Столетов окончательно убедился в независимости фототока насыщения от разности потенциаловв экспериментах 1890 года. Главным результатом исследований Столетова является первый закон внешнего фотоэффекта: сила тока насыщения для выбранного фотокатода прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения.В 1890 году Столетов не смог до конца раскрыть подлинную сущность фотоэффекта: выбивание электронов фотонами с поверхности фотокатода. Однако, проявив незаурядную интуицию, он писал: «Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд».3. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.Фотоэффектом называются явления, при которых происходит освобождение электронов под действием света,.Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов и молекул газа под действием света и называется фотоионизацией. В твёрдых и жидких телах различают внешний и внутренний фотоэффект.Внешний фотоэффект - испускание электронов веществом (наружу) под действием света.Внутренний фотоэффект -перераспределение электронов по энергетическим состояниям в полупроводниках и диэлектриках под действием света. В результате внутреннего фотоэффекта происходит увеличение концентрации носителей тока в веществе. Появляется фотопроводимость – увеличение электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении. Вентильный фотоэффект - возникновение ЭДС при освещении p-n-перехода. Внешний фотоэффект открыл в 1887 году Г. Герц. Его фундаментальные исследования были проведены в 1888-1889 году И.Столетовым.Схема установки для наблюдения внешнего фотоэффекта приведена на рисунке 3.1 .В вакуумную трубку помещены катодК (фотокатод) и анод А. Свет через кварцевое окно попадает на поверхность катода. Между фотокатодом и анодом приложена разность потенциалов, которая измеряется вольтметром V. Разность потенциалов можно изменять при помощи делителя напряжения R. Ток в цепи измеряется гальванометром G.Зависимость фототока от разности потенциалов между катодом и анодом при освещении катода монохроматическим светом носит названиевольт-амперной характеристики. Она имеет вид, приведенный на рисунке 3.2. Отметим основные особенности и проанализируем эту зависимость.1.При разности потенциалов между катодом и анодом U=0 фототок не равняется нулю. Это означает, что фотоэлектроны выходят из катода, имея некоторую начальную скорость. Для равенства фототока нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U0.Максимальная начальная скорость фотоэлектронов связана с задерживающим напряжением:. (3.1)Здесь eиm – заряд и масса электрона.2. При увеличении разности потенциалов U фототок достигает значения iн (фототок насыщения). Это означает, что все вылетающие из катода электроны попадают на анод. Пусть n - число электронов, вылетающих из катода в 1секунду. Тогда Рассмотрим законы внешнего фотоэффекта:1. Закон Столетова. При постоянном спектральном составе излучения, попадающего на катод, фототок насыщения прямо пропорционален световому потоку:.(Это означает, что число электронов ). Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивностипадающего излучения, а зависит от его частоты.2. Для любого фотокатода существует «красная граница» внешнего фотоэффекта, то есть минимальная частота , (или максимальная длина волны излучения ) при которой ещё возможен фотоэффект. Частота зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности.Явление внешнего фотоэффекта невозможно объяснить на основе классической волновой теории света. Действительно, исходя из волновой теории, вырывание электронов из вещества происходит в результате их «раскачивания» в электромагнитном поле световой волны. Чем больше интенсивность волны (или амплитуда), тем больше должна быть скорость фотоэлектронов. Этот вывод вступает в противоречие со 2 и 3 законами фотоэффекта.Все закономерности фотоэффекта успешно объясняются при помощи квантовой теории. При поглощении света веществом каждый поглощённый фотон передаёт свою энергию частице вещества. При внешнем фотоэффекте закон сохранения энергии:, (3.2)гдеhv- энергия фотона; - работа выхода электрона с поверхности вещества; - работа по преодолению сил сопротивления при выходе электрона на поверхность; - кинетическая энергия электрона.Если =0 (электрон выходит с поверхности), то . (3.3)Уравнение (3.3) носит название уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют второй и третий законы фотоэффекта:. (3.4)Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты линейнымобразом. Она обращается в нуль при частоте , которая соответствует красной границе фотоэффекта:. (3.5)Поэтому красная граница зависит только от работы выхода электрона из вещества.ЗаключениеРезультаты,которые были получены Генрихом Герцем,явились открытием нового явления в физике, названного фотоэффектом. Альберт Эйнштейн позже дал теоретическое обоснование этого явления, за что получил Нобелевскую премию в 1921 году.Список литературы1. Григорьян А.Т., Вяльцев А.Н. «Генрих Герц 1857-1894»-М.,Наука,1968