- Что такое фотоэффект?
Фотоэффект — это вырывание электронов из вещества под действием света (или другого электромагнитного излучения).1 - Изобразите принципиальную схему экспериментальной установки Столетова для изучения фотоэффекта. И опишите принцип её работы.
Принципиальная (принципиальная схема это значит схема, содержащая самую суть без подробностей) схема экспериментальной установки Столетова для изучения фотоэффекта изображена на рис. 151-а.
Вот рисунок 151.
Рис. 151. а) Принципиальная схема установки для изучения фотоэффекта.
Большой прямоугольник — стеклянный баллон, из которого выкачан воздух.
Вертикальные палочки, подписанные буквами \mathrm{К} и \mathrm{А}~- электроды, катод и анод соответственно. (Электроды здесь можно понимать, как куски металла. Причём в опытах по фотоэффекту электрод, освещаемый светом, принято называть катодом, а другой электрод, не освещаемый светом, — анодом).
Линии со стрелочками, направленными к катоду, подписанные hν~- фотоны, падающие на катод.
Пунктирные стрелочки, направленные от катода, подписанные буквой e с минусом над ней — направление скоростей электронов, вылетающих из катода в результате фотоэффекта.
Прямоугольник с буквой U внутри — источник, создающий напряжение U между анодом и катодом.
Кружок с буквами \mathrm{mA} внутри — миллиамперметр — амперметр, предназначенный для измерения силы тока в миллиамперах (миллиамперметр используют, когда ожидают, что силы измеряемых токов будут в пределах от единиц до сотен миллиампер. Миллиамперметр более чувствительный прибор, чем амперметр, предназначенный для измерения сил токов значения, которых лежат в пределах нескольких единиц или десятых долей ампер. Если миллиамперметром (как и любым амперметром) попытаться измерить ток, сила тока которого значительно больше, чем та на которую он рассчитан, то прибор перегорит — будет испорчен. Конечно, на принципиальной схеме можно изобразить просто амперметр, но я решил изобразить точнее миллиамперметр, чтобы познакомить читателей с его обозначением, чтобы такое обозначение миллиамперметра и других приборов в дальнейшем не пугало его).
б) Зависимость силы фототока I от напряжения, создаваемого источником, между анодом и катодом U.
I_н~- фототок насыщения, значение силы фототока, к которому стремиться сила фототока при росте напряжения источника.
U_з~- задерживающее (его иногда называют запирающим) напряжение, при котором прекращается фототок.
При освещении катода электромагнитным излучением выбранной нами частоты ν, при достаточно больших значениях этой частоты будет происходить фотоэффект. Часть фотонов этого электромагнитного излучения будут вырывать из катода электроны, которые будут двигаться в разные стороны от катода. Попадая на анод, эти электроны по изображённой цепи будут возвращаться на катод, создавая тем самым в этой цепи ток, который называется фототоком (так как он возникает в результате освещения катода фотонами). Этот фототок измеряется миллиамперметром, включённым в эту цепь. Напряжение, создаваемое источником между анодом и катодом может как помогать электронам достигать анода (если оно положительное, то есть плюс подключен к аноду, а минус к катоду), так и мешать им (если оно отрицательное, то есть плюс подключен к катоду, а минус к аноду) и таким образом увеличивать или уменьшать фототок. - Постройте зависимость силы фототока от напряжения, создаваемого источником, между анодом и катодом. Опишите её.
Зависимость силы фототока от напряжения, создаваемого источником, между анодом и катодом изображена на рис. 151-б. Видно, что при отсутствии напряжения фототок существует и с ростом напряжения значительно увеличивается сила фототока. При дальнейшем увеличении напряжения сила фототока начинает увеличиваться всё медленнее и медленнее и стремится к своему максимальному значению I_н, которое называется фототоком насыщения. Если же между анодом и катодом подавать отрицательное напряжение, то сила фототока будет уменьшаться с ростом модуля этого напряжения, пока фототок не прекратится при значении напряжения U_з, которое называется запирающим напряжением. - Сформулируйте первый закон фотоэффекта.
Фототок насыщения прямо пропорционален падающему (падающему на катод) световому потоку (при данной частоте излучения и данной площади поверхности катода, на которую падает это излучение, световой поток прямо пропорционален числу падающих фотонов). - Сформулируйте второй закон фотоэффекта.
Максимальная2 кинетическая энергия фотоэлектронов (фотоэлектроны — это электроны, вылетевшие из вещества в результате фотоэффекта) линейно растёт с частотой света и не зависит от его интенсивности3. - Сформулируйте третий закон фотоэффекта.
Для каждого вещества (имеется ввиду то вещество, из которого изготовлен катод, то есть которое облучается электромагнитным излучением для наблюдения фотоэффекта) существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект ещё наблюдается. При больших длинах волн фотоэффекта нет.
Сноски:
- Такой фотоэффект, когда электрон вырывается из вещества, называется внешним.
- Максимальная в смысле наибольшая возможная для уже вылетевшего электрона. Разные электроны могут иметь разную кинетическую энергию после вылета из вещества из-за разных потерь энергии при этом вылете.
- Насколько я понимаю, под интенсивностью здесь тоже понимают световой поток, и тогда максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности, если частота не изменяется.