Фотоелектричен ефект
1. Явлението фотоефект
При облъчване на някои метали със светлина, от тяхната повърхност се отделят електрони . Това явление се нарича фотоелектричен ефект или по-кратко фотоефект, а отделящите се електрони - фотоелекрони (фиг.11-1). Фотоефектът е открит през 1887 година от германския физик Хайнрих Херц (откривателят на електромагнитните вълни). По-нататъшните изследвания водят до важни практически приложения на фотоефекта и едновременно с това имат съществена роля в развитието на квантовата теория на светлината.
Фиг. 11-1.
2. Волтамперна характеристика на фотоклетка
Опитът показва, че фотоефектът силно зависи от състоянието на осветената повърхност. Затова при изследването му се използват чисти повърхности, поставени във вакуум. На фиг. 11-2 е показана принципна схема на опитна постановка за изучаване на фотоефекта.
 |
|
| Фиг. 11-2. | Фиг.11-3. |
Във вакуумиран стъклен или кварцов балон са поставени два метални електрода. Такова устройство се нарича фотоклетка. Катодът на фотоклетката е свързан към отрицателния полюс на източник на постоянно ЕДН. В отсъствие на осветление (на тъмно) във веригата не протича ток, тъй като в пространството между катода и анода няма свободни токови носители. При осветяване на катода от него се избиват фотоелектрони, които се ускоряват от приложеното напрежение и достигат анода. Във веригата протича фототок, който се измерва с чувствителния амперметър A1 На фиг. 11-3 е показана зависимостта на фототока I от приложеното напрежение U при два различни интензитета на падащата върху катода монохроматична светлина. От волтамперните характеристики се вижда, че фототокът нараства при увеличаване на приложеното напрежение. При определено напрежение всички електрони, отделени от повърхността на катода, достигат до анода. Затова при по-нататъшно увеличаване на напрежението токът остава постоянен - това е т. нар. ток на насищане Iн. Токът на насищане нараства при увеличаване интензитета на светлината, което показва, че при по-голям интензитет от катода се отделят повече електрони. Ако се подаде обратно напрежение U (положителният полюс на източника се свързва към катода), електричното поле между електродите променя посоката си и се стреми да върне фотоелектроните обратно към катода. Когато електрон измине разстоянието от катода до анода, електричните сили извършват отрицателна работа: електричната потенциална енергия на електроните нараства с eU (e е големината на заряда на електрона), а кинетичната им енергия намалява. (Направете аналогия с изменението на кинетичната и потенциалната енергия на тяло, хвърлено вертикално нагоре.) Фототокът също намалява, защото само електроните, чиято кинетична енергия е по-голяма от еU успяват да достигнат до анода (останалите под действието на електричните сили се връщат обратно към катода). При определена стойност на обратното напрежение U = Uc наречена спирачно напрежение, фототокът става равен на нула. От закона за запазване на енергията следва равенството
eUc = Еk,max ,
където Еk,max е максималната кинетична енергия на фотоелектроните.
3. Основни закономерности на фотоефекта
В резултат на многобройни експериментални изследвания са установени следните основни закономерности на фотоефекта:
1. При осветяване с монохроматична светлина броят на отделените за единица време от дадена повърхност електрони е правопропорционален на интензитета на светлината.
2. За всеки метал съществува червена граница на фотоефекта, т.е. максимална дължина на вълната λmax (или съответно минимална честота νmin = с/λmax) на светлината, при която все още е възможно отделяне на фотоелектрони. Ако λ > λmax, фотоефект не се наблюдава дори при голям интензитет на светлина.
3. Максималната кинетична енергия Еk,max на фотоелектроните не зависи от интензитета на светлината. Еk,max нараства линейно при увеличаване честотата v на падащата светлина (фиг.11-3).
Фиг. 11-3.
4. Фотоелектрони се отделят практически едновременно с осветяването (по-малко от 10-9s след осветяването на. повърхността), дори когато интензитетът на светлината е много малък.
Възможно ли е вълновата електромагнитна теория да обясни закономерностите на фотоефекта? Според вълновата теория свободните електрони, които се намират близо до повърхността на метала, извършват принудени трептения в електричното поле на падащата електромагнитна вълна. Те поглъщат енергия и амплитудите на трептене нарастват. Когато енергията на трептене на даден електрон достигне определена критична стойност, електронът преодолява електричните сили на привличане към положителните йони на метала и се откъсва от повърхността на метала. Ако такъв модел е верен, следва да се очаква, че максималната кинетична енергия Ek,max на фотоелектроните ще е пропорционална на интензитета на падащата светлина: при голям интензитет на светлината електричното поле на вълната е по-силно и електроните получават от него по-голяма енергия. Опитът обаче показва, че Еk,max изобщо не зависи от интензитета на светлината. Освен това вълновата теория не е в състояние да обясни съществуването на червена граница на фотоефекта. От нея следва, че фотоефект трябва да възниква при всяка дължина на вълната, стига интензитетът на светлината да е достатьчно голям. От вълновата теория също следва, че фотоелектроните трябва да се появяват със закъснение. Особено при малък интензитет на светлината на електрона е нужно време, за да „натрупа“ необходимата за напускане на метала енергия.
Следователно закономерностите на фотоефекта не могат да се обяснят от вълновата теория. Това изисква да се променят схващанията за природата на светлината. На този въпрос ще се спрем в следващия урок.
4. Приложения на фотоефекта
Фотоефектът намира многобройни практически приложения. В основата им е възможността светлинни сигнали да се преобразуват в електрични при осветяване на фотоклетка или на други електровакуумни уреди, използващи като катоди светлочувствителни метални повърхности. В 9. клас се запознахме с устройството на фотоелектричния преобразовател, който в телевизионните камери превръща оптичния образ в електричен видеосигнал. Фиг. 11-4 илюстрира друго приложение на фотоефекта - в алармените системи. Фотоклетката се осветява с невидим за човешкото око сноп от ултравиолетови лъчи и полученият фототок след съответно усилване захранва електромагнит. Когато премине крадец, светлинният сноп се прекъсва; прекратява се фототокът и се изключва едокгромагнитът. Разтегнатата пружина придърпва желязното лостче, затваря електрическата верига на алармата и тя се задейства.
Фиг. 11-4.
фиг. 11-5 показва как се използва фотоефектът при озвучаване на кинофилми. Отстрани на видеокадрите върху кинолентата е разположена т. нар. звукова пътечка, съставена от светли и тъмни ивици, които носят „оптичния образ“ на звука. Светлинен сноп от прожектор преминава през звуковата пътечка и попада във фотоклетка. Светлите и тъмните ивици модулират интензитета на светлината, което предизвиква съответна промяна на фототока. Полученият променлив ток е електричен аналог на записания звук. След като се усили, той се предава на високоговорител.
Фиг.11 - 5.
