Схемы опытов Столетова по исследованию внешнего фотоэффекта изображена на рис. 1.
В вакуумной трубке помещают исследуемую пластинку К, служащую катодом, и вспомогательный электрод А, служащий анодом. Электроды К и А через потенциометр Р подключены к источнику напряжения e. Напряжение между электродами, называемое анодным напряжением, измеряется вольтметром V, ток в цепи измеряется гальванометром Г.
Если пластинка К не освещается, то ток в цепи отсутствует, так как вакуумный промежуток между катодом и анодом тока не проводит. Если же исследуемую пластинку осветить светом через окно С, то свет вырвет из пластинки электроны, которые получили название ф о т о э л е к т р о н о в.
Под действием электрического поля, созданного анодным напряжением, фотоэлектроны будут двигаться к аноду А и далее, по замкнутой цепи, через гальванометр Г к катоду К.
Гальванометр покажет наличие тока, который получил название ф о т о т о к а. При помощи потенциометра Р можно изменять величину и знак анодного напряжения. Следует иметь ввиду, что ток в цепи возникает и в том случае, когда анодное напряжение равно нулю, и даже при небольшом задерживающем отрицательном напряжении. Объясняется это тем, что вылетающие из катода фотоэлектроны обладают кинетической энергией, за счет которой совершается работа против сил задерживающего отрицательного потенциала.
|
|
На графике рис. 2, называемого вольт–амперной характеристикой, показана типичная зависимость силы фототока от анодного напряжения при неизменном световом потоке для двух значений светового потока Ф, причем Ф1 < Ф2.
Из графика видно, что с увеличением анодного напряжения фототок сначала возрастает, затем достигает максимума и дальнейшее увеличение анодного напряжения не изменяет фототока. Увеличение фототока объясняется тем, что не все вылетевшие из катода фотоэлектроны достигают анода. С увеличением анодного напряжения все большая часть фотоэлектронов будет достигать анода и при некотором значении напряжения все вылетевшие фотоэлектроны достигнут анода. Дальнейшее увеличение анодного напряжения уже не вызовет увеличения фототока. Максимальный фототок называют фототоком н а с ы щ е н и я.
При некоторой задерживающей разности потенциалов – фототок прекращается. Очевидно, максимальная кинетическая энергия вылетающих из катода фотоэлектронов равна работе перемещения фотоэлектрона через запирающую разность потенциалов:
= e U3 | (1) |
где m и е – масса и заряд электрона;
u – максимальная скорость вылетающих электронов;
U3 – задерживающая разность потенциалов.
Определив опытным путем задерживающую разность потенциалов, можно вычислить максимальную скорость фотоэлектронов. В результате многочисленных тщательно поставленных опытов Столетов установил следующие закономерности фотоэффекта.
|
|
1. Сила фототока насыщения iн, возникающая при освещении монохроматическим светом, пропорциональна световому потоку Ф падающему на катод.
i н = к Ф | (2) |
Коэффициент пропорциональности к, равный силе фототока, выраженный в мкА, при освещенности катода потоком в 1 лм называется фоточувствительностью освещаемой пластинки, измеряется в мкА/лм.
2. Скорость фотоэлектронов увеличивается с увеличением частоты (с уменьшением длины волны) падающего света и не зависит от интенсивности светового потока.
3. Независимо от интенсивности светового потока фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте (максимальной длине волны) называемой красной г р а н и ц е й фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта различна для различных веществ и является величиной, характерной для данного вещества.