DEFINIREA PLANULUI CONSTANT
Dispozitive și accesorii: 1) sursă de lumină, 2) monocromator, 3) fotocelula vid, 4) nanoammetru, 5) milivoltmetru, 6) sursă de tensiune de blocare.
Numeroase experimente au stabilit că, sub acțiunea razelor de lumină cu o anumită lungime de undă, electronii pot scăpa din conductori. Fenomenul de emisie datorat luminii electronilor liberi de pe suprafața conductorilor (metale) este numit efectul fotoelectric extern.
Efectul fotoelectric extern a fost inițial investigat de fizicianul rus A.G. Stoletov. Diagrama experimentului de bază al lui Stoletov este prezentată în Fig. 1. Lumina cade pe un catod într-un vid și rupe electronii din el. Dacă la anod la o oarecare distanță de catod, se aplică un potențial pozitiv, un câmp electric, electronii vor începe să se deplaseze spre anod, curent va curge prin circuit, care este detectat de un galvanometru. Legile de bază ale efectului fotoelectric extern, setați AG Stoletovym, se arunca la următoarele:
Puterea fotocurentă i. determinată de numărul de electroni rupți de metal de lumină, este proporțională cu intensitatea incidentului luminos pe metal și este independentă de lungimea de undă (frecvența) radiației.
Viteza electronilor bateți de lumina de pe suprafața metalică nu depinde de intensitatea luminii, ci crește cu frecvență în creștere (prin scăderea lungimii de undă) a radiației.
Pentru fiecare material conductor există o anumită frecvență minimă de radiație (marginea roșie a efectului fotoelectric), capabilă să distrugă electroni de pe suprafața conductorului. Când conductorul este iluminat cu lumină cu o frecvență mai mică, efectul fotoelectric nu se produce.
Primul și al doilea legile photoemission ilustrează caracteristicile curent-tensiune ale fotocelulei vacuum - în funcție fotocurentul i, format prin fluxul de electroni emiși de lumina de la catod, tensiunea U între electrozi. O astfel de dependență care corespunde la două valori diferite ale J intensitatea luminii incidente pe catod (frecvența luminii aceeași în ambele cazuri), este prezentată în Fig. 2. Dacă fotocatodul unei lumină electric neutru disloca electronii, acest lucru înseamnă că la catod există o sarcină pozitivă care atrage electroni ejectat. Ca rezultat, în jurul catodului încărcat pozitiv, se formează un nor de la fotoelectronele încărcate negativ. Norul din electronii distruși este în echilibru dinamic, adică numărul de electroni doborâți este aproximativ egal cu numărul de electroni atrași de fotocatod. Doar un număr mic de cele mai energice fotoelectroni scapă de norul de electroni din apropierea fotocatodului, dar numai o parte dintre ele cad pe anod. Ca urmare, chiar și la o tensiune între catod și anodul U = 0, un anumit curent curge prin fotocelula de vid (figura 2).
Dacă se aplică un "+" anodului, apare un câmp electric E între anod și catodul E. Forța Coulomb Fk = eE acționează asupra fotoelectronelor din câmpul E. îndreptat spre anod (figura 1). Pe măsură ce tensiunea U crește între catod și anod, fluxul fotografic crește treptat; un număr tot mai mare de fotoelectroni expuși la lumină sub acțiunea forțelor Coulomb ajung la anod. Valoarea maximă a fotocurentului de inasigurare curent - este determinată de o valoare a lui U la care toți electronii exclași din fotocatodă ajung la anod. Rezultă din Fig. 2, la o frecvență constantă a luminii (ν = const), fotocurentul de saturație i este cu cât este mai mare, cu atât este mai mare intensitatea luminii care apare pe fotocatod.
După cum se vede din Fig. 2, fotocurentul există chiar la tensiunea zero între anod și catod. Mai mult decât atât, pentru a termina fluxul fotografic, trebuie să se aplice anodului o tensiune negativă a catodului, numită Ups de tensiune de închidere.
Existența fotocurentul chiar la valori negative ale tensiunii de retardare de la 0 la -Uzad indică faptul că fotoelectronilor decolarea sub influența luminii de la catod, au o anumită viteză inițială și, în consecință, energia cinetică. În Fig. 3 prezintă caracteristica curent-tensiune a unei fotocelule vacuum iluminate cu lumina aceluiași int
Din fig. 2 rezultă că mărimea tensiunii de blocare nu depinde de intensitatea incidentului luminii de pe catod. Și din Fig. 3 că tensiunea de blocare Ups la o intensitate constantă (J = const) este determinată de frecvența v a luminii, și anume - Ups crește cu frecvența crescândă a luminii care intră pe fotocatod.
Legile efectului fotoelectric extern nu puteau fi explicate prin fizica clasică. În 1905, A. Einstein a reușit pe deplin să facă acest lucru pe baza unor concepte cuantice despre natura luminii. Conform acestei teorii, lumina este un flux de microparticule - cuantele de lumină (fotoni) care zboară într-un vid la viteza luminii și au energie:
unde h este constanta lui Planck, n este frecvența luminii.
Căzând la suprafața metalului, fotonii își transmit energia electronilor liberi ai metalului. O parte din energia fotonului este folosită pentru extragerea electronului de pe suprafața metalică, iar restul energiei fotonice este trimis la energia cinetică a electronului rupt:
Aceasta este ecuația Einstein pentru efectul fotoelectric extern. Aici, produsul h n este energia fotonică, AB este funcția de lucru a electronului din metal, m υ 2/2 este energia cinetică a electronului emis. Ecuația reflectă de fapt legea conservării energiei pentru efectul fotoelectric.
Viteza maximă inițială a fotoelectronelor, υmax, este legată de tensiunea de blocare Uapp de relația:
unde e este încărcarea de electroni. Apoi, ecuația Einstein pentru efectul fotoelectric extern are forma:
Frecvența ν este legată de lungimea de undă a luminii λ prin relația: ν = c / λ, unde c este viteza luminii. Apoi ecuația lui Einstein poate fi scrisă sub forma:
În această expresie λ, Avy și Ωazp-măsurate cantități, și σ și ε - constante fundamentale. Această circumstanță face posibilă măsurarea constantei Planck pur și simplu pe baza studierii fenomenului efectului fotoelectric extern.
Ecuația Einstein oferă o explicație a tuturor regulilor de bază ale efectului fotoelectric extern. Din punctul de vedere al teoriei cuantice, intensitatea luminii este determinată de numărul de fotoni incidenti. Fiecare incident foton de pe catod poate rupe un electron din el. Apoi, numărul de electroni ejectați (purtători fotocurent) va fi direct proporțional cu numărul de fotoni incidentați, adică intensitatea luminii incidente, care se observă experimental.
Din ecuația (1), că energia cinetică a electronilor ejectat este determinată numai de energia fotonilor incidente: viteza electronilor ejectat cu creșterea frecvenței emisiei de lumină va crește și nu depinde de numărul de fotoni incidente, adică de la intensitate sveta.
Fiecare conductor este caracterizat de o anumită valoare a funcției de lucru a electronilor AB. Dacă energia fotonului este mai mică decât funcția de lucru h <АВ . то электроны вылететь за пределы металла не могут. Таким образом, внешний фотоэффект имеет место лишь при условии:
unde RK este o anumită frecvență minimă a luminii pentru un anumit conductor, la care se observă un efect fotoelectric. Cantitatea ncr = AB / h se numește limita roșie a efectului fotoelectric. Deoarece frecvența ν este legată de lungimea de undă λ a luminii de relația: λ = c / ν. unde c este viteza luminii, marginea roșie a efectului fotoelectric este uneori exprimată în termeni de lungime de undă a luminii: λCR = hc / AB.