В 20-е годы XIX века человечество открыло возможность перевода тепловой энергии в электрическую (опыты Зеебека и Пельтье). В конце того же века был открыт иной способ генерации электричества - с помощью света. Данная статья посвящена рассмотрению вопроса о том, что такое фотоэффект.
Кто и когда открыл фотоэффект?
Открытие фотоэффекта в науке имеет длинную историю и связан непосредственно со спорами ученых о природе света. В 1887 году, проводя эксперименты по доказательству существования электромагнитных волн, Генрих Герц открыл явление фотоэффекта. Что такое фотоэффект, Герц объяснить не смог, но полученные "странные" результаты опубликовал. Суть этих результатов заключалась в том, что индуцированная в воздушном зазоре приемника искра имела большую яркость, когда приемник находился на свету, чем когда ученый ставил его в темное помещение.
Вам будет интересно:Модальные слова - это... Классификация и способы выражения модальности
Годом позже, то есть в 1888 году, русский ученый Александр Столетов провел ряд экспериментов, из которых сделал ряд важных выводов относительно особенностей фотоэффекта. В настоящее время первый закон фотоэффекта носит его фамилию.
Кто разработал теорию наблюдаемого эффекта?
Вам будет интересно:Опыты Столетова и их значение для современного понимания явления фотоэффекта
Сделал это Альберт Эйнштейн в 1905 году, за что в 1921 году получил Нобелевскую премию по физике.
Современное понимание происходящих во время этого эффекта процессов полностью основано на идеях Эйнштейна. Его главной заслугой было признание того, что свет является не только волной, но и проявляет корпускулярные свойства во взаимодействии с материей (это положение известно как корпускулярно-волновой дуализм). В частности, электромагнитная волна распределена в пространстве не равномерно, а состоит из сгустков энергии (квантов), которые впоследствии получили название фотонов. Когда такой фотон падает на материал, то он взаимодействует только с одним электроном какого-либо атома, передавая ему всю свою энергию.
Справедливости ради отметим, что корпускулярная теория была разработана задолго до Эйнштейна в далеком XVII веке, и сделал это Исаак Ньютон. Эйнштейн же не просто возродил идею Ньютона, но включил в нее представления Макса Планка о квантах света с энергией h*v.
Что такое фотоэффект?
Теперь перейдем к непосредственному объяснению процессов на атомном уровне, связанных с рассматриваемым явлением.
Под фотоэффектом понимают вырывание электронов из материала и перевод их в свободное состояние за счет падающего на этот материал света. Происходит это следующим образом: когда фотон попадает на атом вещества, то он взаимодействует с электроном, передавая ему всю свою энергию. За счет этой энергии электрон переходит на более высокие энергетические уровни атома (возбуждение атома). Если величина переданной энергии будет достаточно большой, то электрон сможет оторваться от атома и вылететь в межатомное пространство.
Часто говорят о внутреннем и внешнем фотоэффекте. Отличаются они друг от друга только тем, куда попадает "вырванный" из атома электрон (если он остается внутри материала, то говорят о внутреннем, если же вылетает в атмосферу, то о внешнем фотоэффекте). Упомянутые выше опыты Герца и Столетова - это пример внешнего фотоэффекта. Примером внутреннего является работа современных солнечных батарей.
Основные законы фотоэффекта
Благодаря проведенным опытам конца XIX века и разработанной Эйнштейном теории фотоэффекта в начале XX века, можно сформулировать следующие законы для этого явления:
- Интенсивность падающего излучения и сила тока, возникающая в цепи, находятся в прямой зависимости.
- Существует некоторая частотная граница, фотоэффект ниже которой не происходит, то есть фотоны с частотой менее пороговой не могут "вырвать" электроны из атомов.
- Скорость вылетевших электронов не зависит от интенсивности падающего на материал света, но зависит от его частоты.
- Фотоэффект - это мгновенный процесс (задержка не превышает 1 нс).
Уравнение Эйнштейна
Разобравшись, что такое фотоэффект, приведем теперь уравнение, которое его описывает:
h*v = A + Ek.
Здесь v - частота фонона, A - энергия, которую необходимо затратить, чтобы "вырвать" электрон из атома, Ek - кинетическая энергия вылетевшего электрона. Формула h*v описывает энергию фотона согласно представлениям Макса Планка (h - постоянная Планка).
Из уравнения Эйнштейна следует одна важная вещь: минимальная фотона энергия, фотоэффект при которой еще возможен, будет равна работе выхода электрона:
h*v0 = A (Ek = 0).
Частота v0 получила название красной границы для этого физического явления. Поскольку частота фотона связана через скорость света с его длиной волны, фотоэффекта уравнение можно переписать следующим образом:
h*c/λ0 = A (Ek = 0).
Для многих металлов работа выхода электрона A лежит в пределах от 2-х до 6-и эВ, этим значениям соответствуют длины волн от 580 до 210 нм (часть видимого и ультрафиолетового спектра).
Понятие о токе насыщения
Рассматривая вопрос, что такое фотоэффект, следует рассказать о токе насыщения. Проделаем следующий эксперимент: возьмем воздушный конденсатор, образованный двумя металлическими пластинами, подсоединим его к электрической цепи и направим на являющуюся катодом пластину монохроматический пучок света определенной интенсивности. Гальванометр покажет, что в цепи появился ток. Теперь будем постепенно увеличивать напряжение между пластинами конденсатора, тогда ток тоже будет увеличиваться до некоторого значения, а затем станет постоянным, независимо от напряжения. Это показано на рисунке ниже.
Здесь Iconst. - ток насыщения. Как видно из графика, некоторый ток будет существовать в цепи даже при нулевом потенциале.
Объяснить описанный факт можно так: когда свет попадает на катод, то при его постоянной интенсивности и частоте фотоэффект приводит к появлению свободных электронов. Последние, вылетая из металла, двигаются в произвольных направлениях и лишь некоторая их часть попадет на вторую пластину конденсатора. Когда прикладывают потенциал к пластинам, то все больше и больше электронов начинают достигать противоположной пластины. Это увеличение происходит до тех пор, пока все "вырванные" электроны не будут увлечены электрическим полем, то есть наступает насыщение (Iconst.).
Дальнейший рост тока возможен только за счет увеличения интенсивности света (растет число "вырванных" электронов) или за счет увеличения частоты света (растет Ek электронов).
Понятие о тормозящем потенциале
Приведенное выше объяснение происходящих процессов между пластинами конденсатора позволяет сделать вывод, что ток будет существовать, даже если поменять знак потенциалов (облучаемая светом пластина становится анодом). Как только потенциал достигнет такого значения, что "вырванные" электроны с наибольшей энергией будут возвращаться обратно на анод, не достигая катода, тогда ток в цепи прекратится. Этот потенциал называется тормозящим. Он отмечен на предыдущем рисунке символом U0.
Тормозящий потенциал U0 не зависит от интенсивности света и увеличивается при возрастании частоты фотонов.
