Внешний фотоэффект, законы Столетова.

Схемы опытов Столетова по исследованию внешнего фотоэффекта изображена на рис. 1.

В вакуумной трубке помещают исследуемую пластинку К, служащую катодом, и вспомогательный электрод А, служащий анодом. Электроды К и А через потенциометр Р подключены к источнику напряжения e. Напряжение между электродами, называемое анодным напряжением, измеряется вольтметром V, ток в цепи измеряется гальванометром Г.

Если пластинка К не освещается, то ток в цепи отсутствует, так как вакуумный промежуток между катодом и анодом тока не проводит. Если же исследуемую пластинку осветить светом через окно С, то свет вырвет из пластинки электроны, которые получили название ф о т о э л е к т р о н о в.

Под действием электрического поля, созданного анодным напряжением, фотоэлектроны будут двигаться к аноду А и далее, по замкнутой цепи, через гальванометр Г к катоду К.

Гальванометр покажет наличие тока, который получил название ф о т о т о к а. При помощи потенциометра Р можно изменять величину и знак анодного напряжения. Следует иметь ввиду, что ток в цепи возникает и в том случае, когда анодное напряжение равно нулю, и даже при небольшом задерживающем отрицательном напряжении. Объясняется это тем, что вылетающие из катода фотоэлектроны обладают кинетической энергией, за счет которой совершается работа против сил задерживающего отрицательного потенциала.

На графике рис. 2, называемого вольт–амперной характеристикой, показана типичная зависимость силы фототока от анодного напряжения при неизменном световом потоке для двух значений светового потока Ф, причем Ф₁ < Ф₂.

Из графика видно, что с увеличением анодного напряжения фототок сначала возрастает, затем достигает максимума и дальнейшее увеличение анодного напряжения не изменяет фототока. Увеличение фототока объясняется тем, что не все вылетевшие из катода фотоэлектроны достигают анода. С увеличением анодного напряжения все большая часть фотоэлектронов будет достигать анода и при некотором значении напряжения все вылетевшие фотоэлектроны достигнут анода. Дальнейшее увеличение анодного напряжения уже не вызовет увеличения фототока. Максимальный фототок называют фототоком н а с ы щ е н и я.

При некоторой задерживающей разности потенциалов – фототок прекращается. Очевидно, максимальная кинетическая энергия вылетающих из катода фотоэлектронов равна работе перемещения фотоэлектрона через запирающую разность потенциалов:

= e U3

(1)

где m и е – масса и заряд электрона;

u – максимальная скорость вылетающих электронов;

U₃ – задерживающая разность потенциалов.

Определив опытным путем задерживающую разность потенциалов, можно вычислить максимальную скорость фотоэлектронов. В результате многочисленных тщательно поставленных опытов Столетов установил следующие закономерности фотоэффекта.

1. Сила фототока насыщения i_н, возникающая при освещении монохроматическим светом, пропорциональна световому потоку Ф падающему на катод.

Коэффициент пропорциональности к, равный силе фототока, выраженный в мкА, при освещенности катода потоком в 1 лм называется фоточувствительностью освещаемой пластинки, измеряется в мкА/лм.

2. Скорость фотоэлектронов увеличивается с увеличением частоты (с уменьшением длины волны) падающего света и не зависит от интенсивности светового потока.

3. Независимо от интенсивности светового потока фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте (максимальной длине волны) называемой красной г р а н и ц е й фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта различна для различных веществ и является величиной, характерной для данного вещества.