Опыты А. Г. Столетова (ЕГЭ-ОГЭ)

В своих опытах Столетов использовал фотоэлемент собственной конструкции.

Фотоэлемент Столетова

В стеклянную колбу, из которой выкачан воздух, введены два электрода: цинковый катод K и анод A. На катод и анод подаётся напряжение, величину U которого можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром V.

На схеме представлена ситуация, когда на катод подан «минус», а на анод — «плюс», но можно сделать и наоборот. Эта перемена знака — существенная часть опытов Столетова. Напряжению на электродах приписывается знак, поданный на анод, поэтому поданное на электроды напряжение U часто называют анодным напряжением. В данном случае, напряжение U положительно.

Катод освещают ультрафиолетовыми лучами через специальное кварцевое окошко, сделанное в колбе. Ультрафиолетовое излучение выбивает с катода электроны, которые разгоняются напряжением и летят на анод. Включённый в цепь миллиамперметр регистрирует электрический ток. Этот ток называется фототоком, а выбитые электроны, его создающие, называются фотоэлектронами.

Столетов независимо варьировал три величины: анодное напряжение, интенсивность света и его частоту.

Изменяя величину и знак анодного напряжения, можно установить, как меняется фототок. График этой зависимости называется характеристикой фотоэлемента:

Характеристика фотоэлемента

Электроны вылетают из катода с различными скоростями и в разных направлениях; обозначим их максимальную скорость как ${\displaystyle V_{max}}$.

При большом отрицательном напряжении ${\displaystyle U}$, фототок не наблюдается, поскольку тормозящее электрическое поле, действующее на электроны со стороны катода и анода столь велико, что электроны, не долетев до анода, теряют скорость и в итоге возвращаются на катод. Максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона в данном случае меньше, чем модуль работы поля при его движении с катода на анод:

${\displaystyle {\frac {mv^{2}}{2}}<eU}$, где

${\displaystyle m=9,1\cdot 10^{-31}}$ — масса электрона, ${\displaystyle e=-1,6\cdot 10^{-19}}$ Кл — его заряд.

При уменьшении модуля отрицательного напряжения с достижением его значения ${\displaystyle U_{3}}$ (задерживающее напряжение), электроны начинают достигать анода. Зная величину задерживающего напряжения можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

${\displaystyle E_{max}=eU_{3}}$.

При небольшом превышении задерживающего напряжения возникает слабый фототок. Его формируют электроны, вылетевшие с максимальной скоростью почти перпендикулярно катоду. Происходит замыкание цепи, при этом бо́льшая электронов по-прежнему возвращается на катод, не достигая анода. При дальнейшем уменьшении модуля отрицательного напряжения анода достигает всё большее число электронов. Примечательно, что при нулевом напряжении фототок присутствует.

При выходе в область положительного напряжения действие электрического поля сменяется с задерживающего на разгоняющее. Наконец, ток достигает своей предельной величины ${\displaystyle I_{H}}$, называемой током насыщения. В этой точке анод захватывает все электроны, покинувшие катод, и ресурсов для дальнейшего увеличения фототока не остаётся.

Величина ${\displaystyle I_{H}}$ тока насыщения — это количество электронов, выбиваемых из катода за одну секунду. Если менять интенсивность света, то окажется что при неизменной его частоте ток насыщения меняется пропорционально интенсивности света.

1-й закон фотоэффекта: Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте)^[1].

2-й закон фотоэффекта: Максимальная кинетическая энергия выбиваемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности^[1].

3-й закон фотоэффекта: Для каждого вещества при определённом состоянии его поверхности существует наименьшая частота света ${\displaystyle v_{0}}$, ниже которой фотоэффект не наблюдается ни при какой интенсивности света. Эта частота и соответствующая ей длина волны называются «красной границей фотоэффекта»^[1].

Внешний фотоэффект практически безынерционен. Фототок немедленно возникает при освещении поверхности тела, при условии что фотоэффект может существовать^[1].