Опыты А. Столетова. Явление фотоэффекта

Макс Планк вы­дви­нул ги­по­те­зу о дис­крет­ной при­ро­де света. Это яв­ле­ние было под­твер­жде­но ис­сле­до­ва­ни­я­ми, ко­то­рые про­во­дил Ген­рих Герц. Такое яв­ле­ние по­лу­чи­ло на­зва­ние – яв­ле­ние фо­то­эф­фек­та.

Изу­чил экс­пе­ри­мен­таль­но и сфор­му­ли­ро­вал за­ко­ны фо­то­эф­фек­та рус­ский физик Алек­сандр Гри­го­рье­вич Сто­ле­тов (Рис. 1).

Рис. 1. Алек­сандр Гри­го­рье­вич Сто­ле­тов

Фо­то­эф­фект – это вы­ры­ва­ние элек­тро­нов из ве­ще­ства под дей­стви­ем света.

Внут­рен­ний фо­то­эф­фект – это эф­фект, при ко­то­ром ото­рван­ные от своих ато­мов элек­тро­ны оста­ют­ся внут­ри ве­ще­ства и ста­но­вят­ся сво­бод­ны­ми. Такой фо­то­эф­фект можно на­блю­дать в по­лу­про­вод­ни­ках и неко­то­рых ди­элек­три­ках.

Для того чтобы по­лу­чить о фо­то­эф­фек­те более пол­ное пред­став­ле­ние, нужно вы­яс­нить:

1. От чего за­ви­сит число вы­рван­ных све­том с по­верх­но­сти ве­ще­ства элек­тро­нов (фо­то­элек­тро­нов),

2. Чем опре­де­ля­ет­ся их ско­рость или ки­не­ти­че­ская энер­гия.

Были про­ве­де­ны экс­пе­ри­мен­таль­ные ис­сле­до­ва­ния (Рис. 2).

Рис. 2. Опыт Сто­ле­то­ва

В стек­лян­ный бал­лон, из ко­то­ро­го был вы­ка­чан воз­дух, по­ме­ща­ют­ся два элек­тро­да. На один из элек­тро­дов по­сту­па­ет свет через квар­це­вое окош­ко, про­зрач­ное не толь­ко для ви­ди­мо­го света, но и для уль­тра­фи­о­ле­то­во­го. На элек­тро­ды по­да­ет­ся на­пря­же­ние, ко­то­рое можно ме­нять с по­мо­щью по­тен­цио­мет­ра и из­ме­рять вольт­мет­ром. К осве­ща­е­мо­му элек­тро­ду под­клю­ча­ют от­ри­ца­тель­ный полюс ба­та­реи. Под дей­стви­ем света этот элек­трод ис­пус­ка­ет элек­тро­ны, ко­то­рые об­ра­зу­ют элек­три­че­ский ток. При малых на­пря­же­ни­ях не все вы­рван­ные све­том элек­тро­ны до­сти­га­ют дру­го­го элек­тро­да. Если, не меняя ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния, уве­ли­чи­вать раз­ность по­тен­ци­а­лов между элек­тро­да­ми, то сила тока воз­рас­та­ет. При неко­то­ром зна­че­нии на­пря­же­ния она до­сти­га­ет мак­си­маль­но­го зна­че­ния, после чего пе­ре­ста­ет уве­ли­чи­вать­ся.  

Ток на­сы­ще­ния – мак­си­маль­ное зна­че­ние силы тока. Ток на­сы­ще­ния опре­де­ля­ет­ся чис­лом элек­тро­нов, ис­пу­щен­ных за 1 се­кун­ду осве­ща­е­мым элек­тро­дом (Рис. 3).

Из­ме­няя ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния, уда­лось уста­но­вить, что сила тока на­сы­ще­ния прямо про­пор­ци­о­наль­на ин­тен­сив­но­сти све­то­во­го из­лу­че­ния, па­да­ю­ще­го на по­верх­ность тела. При уве­ли­че­нии ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния ис­точ­ни­ка света в два раза, сила тока на­сы­ще­ния тоже уве­ли­чи­ва­ет­ся в два раза.

Рис. 3. Ток на­сы­ще­ния

Пер­вый закон Сто­ле­то­ва:

Ко­ли­че­ство элек­тро­нов, вы­ры­ва­е­мых све­том с по­верх­но­сти ме­тал­ла за 1 се­кун­ду, прямо про­пор­ци­о­наль­но по­гло­ща­е­мой за это время энер­гии све­то­вой волны.

 Из экс­пе­ри­мен­та видно, что ве­ли­чи­на силы фо­то­то­ка от­лич­на от нуля и при ну­ле­вом зна­че­нии на­пря­же­ния (Рис. 4). Это зна­чит, что часть вы­рван­ных све­том фо­то­элек­тро­нов до­сти­га­ет анода и при от­сут­ствии на­пря­же­ния.

Рис. 4. Ве­ли­чи­на силы фо­то­то­ка

Если из­ме­нить по­ляр­ность ба­та­реи, то сила тока будет умень­шать­ся, и при неко­то­ром на­пря­же­нии об­рат­ной по­ляр­но­сти она ста­нет равна нулю (Рис. 5).

Рис. 5. Опыт Сто­ле­то­ва при об­рат­ной по­ляр­но­сти

Это зна­чит, что элек­три­че­ское поле тор­мо­зит вы­рван­ные элек­тро­ны до пол­ной оста­нов­ки, а затем воз­вра­ща­ет их на элек­трод. Такое на­пря­же­ние – за­дер­жи­ва­ю­щее на­пря­же­ние (Рис. 6).

Рис. 6. За­дер­жи­ва­ю­щее на­пря­же­ние

Из­ме­ряя за­дер­жи­ва­ю­щее на­пря­же­ние и при­ме­няя тео­ре­му о ки­не­ти­че­ской энер­гии, можно найти зна­че­ние ки­не­ти­че­ской энер­гии фо­то­элек­тро­нов:

При из­ме­не­нии ин­тен­сив­но­сти света за­дер­жи­ва­ю­щее на­пря­же­ние не ме­ня­ет­ся. Это зна­чит, что не ме­ня­ет­ся ки­не­ти­че­ская энер­гия фо­то­элек­тро­нов.

На опы­тах было об­на­ру­же­но, что ки­не­ти­че­ская энер­гия фо­то­элек­тро­нов за­ви­сит от ча­сто­ты света.

Вто­рой закон Сто­ле­то­ва:

Мак­си­маль­ная ки­не­ти­че­ская энер­гия фо­то­элек­тро­нов ли­ней­но воз­рас­та­ет с ча­сто­той света и не за­ви­сит от его ин­тен­сив­но­сти (Рис. 7).

Рис. 7. Гра­фик уве­ли­че­ния  ки­не­ти­че­ской энер­гии

Если ча­сто­та света мень­ше неко­то­рой опре­де­лен­ной для дан­но­го ве­ще­ства ми­ни­маль­ной ча­сто­ты, то фо­то­эф­фект не на­блю­да­ет­ся, до­сти­га­ет­ся крас­ная гра­ни­ца фо­то­эф­фек­та.

Крас­ная гра­ни­ца фо­то­эф­фек­та – это ми­ни­маль­ная ча­сто­та света для дан­но­го ве­ще­ства, при ко­то­рой на­блю­да­ет­ся яв­ле­ние фо­то­эф­фек­та.

Вто­рой закон Сто­ле­то­ва со­вер­шен­но не объ­яс­ним. При уве­ли­че­нии ин­тен­сив­но­сти света на элек­тро­ны долж­на дей­ство­вать боль­шая сила, а сле­до­ва­тель­но, фо­то­элек­тро­ны долж­ны по­лу­чать боль­шую энер­гию, но на самом деле этого не про­ис­хо­дит.

Объ­яс­нить тео­ре­ти­че­ски эти экс­пе­ри­мен­таль­ные за­ко­ны смог Аль­берт Эйн­штейн, при­ме­нив к ним ги­по­те­зу Макса План­ка.