1 1
1

Фотоэффект

Внешний фотоэффект.
 Фотоэлектронная эмиссия – это явление вылета электронов с поверхности металла под действием светового излучения.
Электрон атома получает энергию за счёт света. Если эта энергия больше работы выхода электрона, то этот электрон вылетает с поверхности металла   .
 Работа выхода электрона - такая энергия, которая необходима для отрыва электрона от ядра и от поверхности металла (преодоление притяжения других ядер). Работа выхода электрона зависит от металла и определяется по справочнику. Наименьшую работу выхода электрона имеет цинк.

Опыты Столетова по фотоэффекту.


Вся система находится в вакууме.
Источник излучения – электронно-сварочная дуга, богатая ультрафиолетовыми лучами.
Световой фильтр пропускает свет определённой частоты. Кванты света, которые проходят сквозь фильтр, попадают на катод и выбивают электроны. Выбитые электроны притягиваются к положительно заряженному аноду, и в цепи возникает ток (фототок).

Вольт-амперная характеристика фотоэффекта.
Вольт-амперная характеристика фотоэффекта – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых под действием света, от напряжения U между электродами.

Ток насыщения прямо пропорционален световому потоку

     В вольт-амперной характеристике существуют три особые точки:   
1. Ток насыщения (Iнас.) – такой ток, который остаётся постоянным при сколь угодном увеличении напряжения. При этом все выбитые светом электроны достигают анода.
2. Ток холостого хода (I0). Без дополнительного электрического поля, за счёт своей собственной кинетической энергии выбитые светом с катода электроны достигают анода (принцип работы солнечной батареи).
3. Запирающее напряжение (Uз.) – такое отрицательное напряжение, которое необходимо подать на анод, чтобы ни один электрон не дошёл до него.

Законы Столетова.
1 закон фотоэффекта:
Ток насыщения (Iнас.) прямо пропорционален световому потоку (Ф).     
Чем больше световой поток, тем больше в нём квантов, тем больше выбитых электронов (один квант выбивает только один электрон), тем больше ток.
2 закон фотоэффекта:     
Существует красная граница фотоэффекта (предельная частота в области красного цвета), при которой фотоэффект прекращается.
Фотоэффект не происходит, электрон с поверхности катода не вылетает, если   .       
Тогда граничная частота падающего света:
   , где   h – постоянная Планка;   h=6,62 • 10-34  Дж•с.
2 закон фотоэффекта объясняется механической моделью, называемой «потенциальной ямой»: электрон находится в «потенциальной яме», и сколько бы порций малой энергии он не получал, он не совершит работы выхода. 
 3 закон фотоэффекта:  
Скорость выбитых электронов зависит от частоты падающего света и определяется из закона сохранения энергии при фотоэффекте.
Закон сохранения энергии при фотоэффекте описывается уравнением Эйнштейна:

Т.е. энергия кванта расходуется на совершение электроном работы выхода и на кинетическую энергию выбитых электронов.
Скорость выбитых электронов:

Чем больше частота падающего света, тем больше скорость выбитых электронов.


.
Запирающим напряжением (Uз.) создаём электрическое поле, препятствующее движению электронов к аноду. Потенциальная энергия этого поля должна полностью компенсировать кинетическую энергию движущихся электронов:   .
Тогда  
Чем больше частота падающего света, тем большее запирающее напряжение необходимо подать на анод, чтобы ни один электрон не дошёл до него.

Применение фотоэффекта.
1. Датчики света.
2. Фотоэлемент (солнечная батарея)
Фотоэлементы – приёмники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую энергию.

     Свет падает на катод. Световая энергия (энергия квантов) переходит в кинетическую энергию выбитых электронов (Екин.), за счёт которой выбитые электроны без приложенного внешнего электрического поля вылетают с катода и достигают анода (ток холостого хода – I0). При этом катод заряжается положительно, а анод - отрицательно. Это будет происходить до тех пор, пока потенциальная энергия электрического поля (Епот.) не будет компенсировать кинетическую энергию выбитых электронов (Екин.), т.е. пока напряжение на аноде не станет равным запирающему напряжению (Uз.).
Солнечные батареи изготавливают из диэлектриков. В  диэлектриках наблюдается внутренний фотоэффект.
Фотоэлемент может служить источником тока и может быть подключен к любой нагрузке. От химического состава электродов зависит мощность источника.
Измерение постоянной Планка:

Работа выхода электрона в первом и втором опытах не изменяется, поэтому: