Опыт Столетова А.Г.

Описание опыта

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888-1890 гг. А. Г. Столетовым.

Для того чтобы получить о фотоэффекте более полное представление, нужно выяснить, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) и чем определяется их скорость или кинетическая энергия. С этой целью были проведены экспериментальные исследования, которые состояли в следующем. В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух (для того, чтобы столкновения электронов с молекулами газа не вносили осложнения в наблюдаемые явления, а также для того, чтобы предохранить пластинки от окисления), помещаются два электрода (рис. 1).

Рис. 1

Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через кварцевое «окошко», прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра R и измерять вольтметром V. К освещаемому электроду (катод К) присоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток. При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода (анод А). Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока так же увеличивается. При некотором напряжении она достигает максимального значения, после чего перестает изменяться (рис. 2).

Рис. 2

Из графика следует, что:

1. При некотором значении напряжения между электродами U_н сила фототока перестает зависеть от напряжения.

Максимальное значение силы тока I_н называется током насыщения. Сила тока насыщения \(I_H = \dfrac {q_{max}}{t}\), где q_mах — максимальный заряд, переносимый фотоэлектронами. Он равен \(q_{max} = n \cdot e \cdot t\), где n — число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности освещаемого металла за 1 с, е — заряд электрона. Следовательно, при фототоке насыщения все электроны, покинувшие за 1 с поверхность металла, за это же время попадают на анод. Поэтому по силе фототока насыщения можно судить о числе фотоэлектронов, вылетающих с катода в единицу времени.

2. Сила фототока отлична от нуля и при нулевом напряжении. Это означает, что часть вырванных светом электронов достигает анода А (см. рис. 1) электрода и при отсутствии напряжения, т.е. фотоэлектроны при вылете обладают кинетической энергией.

3. Если катод соединить с положительным полюсом источника тока, а анод — с отрицательным, то в электростатическом поле между электродами фотоэлектроны будут тормозиться, а сила фототока уменьшаться при увеличении значения этого отрицательного напряжения. При некотором значении отрицательного напряжения U_з (его называют задерживающим напряжением) фототок прекращается. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод.

Согласно теореме о кинетической энергии, работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:

\(A = -e \cdot U_3; \Delta W_k = \dfrac {m \cdot \upsilon_{max}^2}{2}\),

следовательно,

\(e \cdot U_3 = \dfrac {m \cdot \upsilon_{max}^2}{2}\).

Это выражение получено при условии, что скорость υ « с, где с — скорость света.

Следовательно, зная U_з, можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

На рисунке 3, а приведены графики зависимости I_ф(U) для различных световых потоков, падающих на фотокатод при постоянной частоте света. На рисунке 3, б приведены графики зависимости I_ф(U) для постоянного светового потока и различных частот падающего на катод света.

а

б

Рис. 3.

Анализ графиков на рисунке 3, а показывает, что сила фототока насыщения увеличивается с увеличением интенсивности падающего света. Если по этим данным построить график зависимости силы тока насыщения от интенсивности света, то получим прямую, которая проходит через начало координат (рис. 4, а). Следовательно, сила фотона насыщения пропорциональна интенсивности света, падающего на катод: I_ф ~ I.

Как следует из графиков на рисунке 3, б, величина задерживающего напряжения увеличивается с увеличением частоты падающего света. При уменьшении частоты падающего света U_з уменьшается, и при некоторой частоте ν₀) задерживающее напряжение U_з0 = 0. При ν < ν₀ фотоэффект не наблюдается. Минимальная частота ν₀ (максимальная длина волны ν₀) падающего света, при которой еще возможен фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. На основании данных графика 3, б можно построить график зависимости U_з(ν) (рис. 4, б).

а

б

Рис. 4.

На основании этих экспериментальных данных были сформулированы законы фотоэффекта.

Flash-анимация опыта

Вы можете повторить описанный выше опыт при помощи flash-анимации (автор Александр Коновалов). В этой программе вы можете:

• наблюдать движение электронов;
• менять материал (металл) катода, интенсивность и частоту излучения, полярность источника;
• увидеть значения работы выхода, красная граница фотоэффекта, длины волны излучения, энергии фотона и напряжения источника.

<swf age="13" bgcolor="#F8F8FF" dummy="Dummy_pic1.jpg">fot_7.swf</swf> Опыт Столетова А.Г. Увеличить Flash Рис. 5.

Законы фотоэффекта

1. Число фотоэлектронов, вырываемых за 1 с с поверхности катода, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.
2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты.
3. Красная граница фотоэффекта зависит только от рода вещества катода.
4. Фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом до вылета электронов проходит время ≈ 10^–9 с.

История физики

Описание опыта Столетовым А.Г.

«Два металлических диска («арматуры», «электроды») в 22 см диаметром были установлены вертикально и друг другу параллельно перед электрическим фонарем Дюбоска, из которого вынуты все стекла. В фонаре имелась лампа с вольтовой дугой А. Один из дисков, близлежащий к фонарю, сделан из тонкой металлической сетки, латунной или железной, иногда гальванопластически покрытой другим металлом, которая была натянута в круглом кольце; другой диск сплошной (металлическая пластинка)» [4, с. 193].

Измерения производились зеркальным гальванометром G, источником тока В служили гальванические батареи из разного числа элементов. В опытах ученый менял знак заряда на металлической пластине с отрицательного на положительный, на пути световых лучей помещал непрозрачный экран (пластинку из картона, металла и др.), стеклянную пластинку. При этих производимых друг за другом исследованиях фотоэффект не наблюдался. Экраны из кварца, льда вследствие поглощения длинноволновой части излучения только ослабляли наблюдаемый эффект. Отсюда ученый делает вывод, что фотоэффект вызывается главным образом ультрафиолетовыми лучами. При прочих равных условиях фототок возрастал при зачистке поверхности отрицательного электрода и повышении его температуры. Для изучения зависимости фотоэффекта от освещенности поверхности электрода Столетов использовал метод прерывистого освещения. К описанной ранее экспериментальной установке был добавлен картонный круг с вырезанными окошками. Круг помещался между источником света S и конденсатором G. Площади окошек и промежутков между ними были одинаковы. Когда круг приводился во вращение (скорость вращения можно было изменять), на конденсатор падало наполовину меньше света, чем при неподвижном круге. При этом сила фототока также уменьшалась в два раза. Следовательно, сила фототока прямо пропорциональна величине светового потока. Такой же результат ученый получил, изменяя площадь освещаемой части отрицательной пластины. Эксперименты, кроме того, позволили установить, что световые лучи действуют мгновенно: фототок возникал и прекращался практически одновременно с началом и прекращением освещения конденсатора. Увеличение напряжения вело к возрастанию силы фототока до определенного значения (ток насыщения), затем он оставался постоянным.

Выводы Столетова А.Г.

В результате проведенных в воздухе экспериментов Столетов пришел к следующим выводам:

«1. Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд...

2. Это действие лучей есть строго униполярное, положительный заряд лучами не уносится.

3. Разряжающим действием обладают — если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими — лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре (λ = 295•10^–6 мм). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие.

4. Для разряда лучами необходимо, чтобы лучи поглощались поверхностью тела...

5. Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между моментом освещения и моментом соответственного разряда не протекает заметного времени.

6. Разряжающее действие, при одинаковых условиях, пропорционально энергии активных лучей, падающих на разряжаемую поверхность.

7. Каков бы ни был механизм активно-электрического разряда, мы вправе рассматривать его как некоторый ток электричества...

8. Активно-электрическое действие усиливается с повышением температуры» [4, с. 238, 239].

Литература

1. Аксенович Л.А. Физика в средней школе. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 556-559.
2. Вольштейн С. Л. и др. Методы физической науки в школе: Пособие для учителя / С. Л. Вольштейн, С. В. Позойский, В. В. Усанов; Под ред. С. Л. Вольштейна.— Мн.: Нар. асвета, 1988.— С. 124-126.
3. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. — М.: Просвещение, 1998. — С. 162-163.
4. Столетов А. Г. Избранные сочинения / Под ред. А. К. Тимирязева.— М.; Л.: Гос. изд. техн.-теор. лит., 1950. — 660 с.