Квантовые объяснения фотоэффекта
310
(практическая работа)
При облучении поверхности проводника, включенного в электрическую схему в виде катода экспериментально наблюдается зависимость возникающего фототока от напряжения.
![]() | ![]() |
При пападании излучения на поверхность проводника, фотоны поглощаются электронами и при этом передают им свою энергию
E= hν
Закон сохранения энергии, записанный Эйнштейном для фотоэффекта, состоит в утверждении, что энергия фотона hν, приобретенная электроном, позволяет ему покинуть поверхность проводника, совершив работу выхода A. Остаток энергии реализуется в виде кинетической энергии
Энергия теперь уже свободного электрона
(1)
Для того чтобы прекратить течение тока в цепи, необходимо на фотоэлемент подать тормозящее запирающее напряжение (UзВ).
Ток исчезнет, когда
(2)
С увеличением частоты падающего света будет расти энергия фотонов и кинетическая энергия фотоэлектронов. Теперь для торможения таких более энергичных электронов потребуется более высокое запирающее напряжение
(3)
Если уменьшать частоту падающего на фотокатод света (Гц), будет уменьшаться энергия фотонов и кинетическая энергия фотоэлектронов. При некотором граничном значении частоты vk, кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю.
![]() | Рис. Изменение кинетической энергии фотона от частоты |
Тогда красную границу можно определить
и
(4)
При дальнейшем снижении частоты, энергия фотонов окажется меньше работы выхода. В результате эмиссия электронов с поверхности металла не произойдет.
При достаточно больших положительных значениях напряжения ток достигает своей предельной величины 1н, называемой током насыщения, и дальше возрастать перестаёт. Это связано с тем, что напряжение, ускоряющее электроны, становится настолько велико, что анод захватывает вообще все электроны, выбитые из катода — в каком бы направлении и с какими бы скоростями они не начинали движение.
При этом ток насыщения равен
(5)
где N –количество фотонов:
- квантовый выход (учитывает потери при поглощении и отражении фотонов).
За интервал времени Δt на поверхность падает N фотонов. Поглощенные фотоны передают телу импульс, равный
(6)
Сила давления, согласно второму закону Ньютона, равна
поэтому давление света определяется из соотношения:
(7)
Учитывая ( 5 ) получим для давления света
(8)
Таблица 1
Справочные данные по работе выхода для металлов ,А(10-19)Дж
Ме | Cs | Ba | Al | Fe | Mo | Cu | W | Cr | Ni | Pt |
1,89 | 2,29 | 3,74 | 4,36 | 4,37 | 4,47 | 4,50 | 4,51 | 4,84 | 5,29 |
Постоянная Планка h=6,626∙10 -34 Дж∙с
Заряд электрона e = 1.6∙10-19 Кл (А∙с)
Скорость света c = 3∙10-8 м/с