Законы фотоэффекта. 
Интерференции света

Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839 — 1896) в 1888 — 1889гг. Используя вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами, он исследовал зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами и условий освещения электрода.

В вакуумном баллоне находятся два металлических электрода, А и К, к которым прикладывают напряжение. Полярность электродов и приложенное к ним напряжение можно изменять с помощью потенциометра R с отводом от средней точки. Когда ползунок потенциометра находится слева от средней точки, на электрод, А подают минус, а на электрод К — плюс. Напряжение, приложенное между электродами, измеряют вольтметром V. Электрод К через окно, закрытое кварцевым стеклом, облучают светом. Под его воздействием из этого электрода вырывают электроны (называемые фотоэлектронами), которые летят к электроду, А и образуют фототок, регистрируемый миллиамперметром mA.

На описанной установке, используя электроды, изготовленные из разных металлов, для каждого освещаемого вещества можно получить вольтамперные характеристики внешнего фотоэффекта (т.е. зависимости силы фототока I от напряжения U между электродами) при различных значениях потока энергии падающего света.

Экспериментально установлены следующие закономерности и законы внешнего фотоэффекта.

• 1. При отсутствии напряжения между электродами фототок отличен от нуля. Это значит, что фотоэлектроны обладают при вылете кинетической энергией.
• 2. По мере увеличения U фототок I постепенно возрастает, т.к. всё большее число фотоэлектронов достигает анода.
• 3. При достижении между электродами некоторого ускоряющего напряжения Uн все электроны, выбиваемые из катода, достигают анода и сила фототока перестаёт зависеть от напряжения. Такой фототок, сила которого с увеличением напряжения не возрастает, называют фототоком насыщения. Если число фотоэлектронов, вылетающих из освещаемого металла в единицу времени, равно nе, то сила фототока насыщения

Iн=Dq/Dt=Ne/Dt=ne

Поэтому, измерив силу тока насыщения, можно определить число фотоэлектронов, вылетающих за одну секунду.

4. Сила фототока насыщения прямо пропорциональна потоку энергии света, падающего на металл (первый закон фотоэффекта):

Iн=gФ

Здесь g — коэффициент пропорциональности, называемый фоточувствительностью вещества. Следовательно, число электронов, вырываемых за одну секунду из вещества, прямо пропорционально потоку энергии света, падающего на это вещество.

5. За счет начальной кинетической энергии электроны могут совершать работу против сил задерживающего электрического поля. Поэтому фототок существует и в области отрицательных напряжений от 0 до U3 (электрод, А соединен с «минусом» источника тока). Начиная с некоторого задерживающего напряжения U3, фототок прекращается. При этом работа задерживающего электрического поля Аэ=еU3 равна максимальной начальной кинетической энергии фотоэлектронов Wк.м.=mvм 2/2:

Аэ=Wк.м.; еU3=mvм 2/2

Отсюда.

Vм= 2еU3/m

Таким образом, измерив задерживающее напряжение U3, можно определить максимальную начальную кинетическую энергию и максимальную начальную скорость фотоэлектронов.

• 6. Значение задерживающего напряжения, а следовательно максимальная кинетическая энергия и максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты (второй закон фотоэффекта).
• 7. Для каждого вещества существует определенное значение частоты vк (и, следовательно, длины волны lк), такое, что при частотах v падающего света меньших vк (т.е. длинах волн света, больших lк), фотоэффект не наблюдается (третий закон фотоэффекта). Частоту vк (и длину волны lк) называют красной границей фотоэффекта. Например, при облучении цинковой пластинки видимым светом даже очень большой интенсивности фотоэффекта не происходит, тогда как при её облучении ультрафиолетовым светом даже очень малой интенсивности фотоэффект наблюдается.
• 8. С начала облучения металла светом до начала вылета фотоэлектронов проходит время t<10−9 с. Следовательно, фотоэффект безынерционен. Если частота падающего света v>vк, то вылет фотоэлектронов происходит практически мгновенно. Если же vк, то как бы долго не освещали металл, фотоэффект не наблюдается.