XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение

Свет – это один из фундаментальных форм проявления материи, она играет ключевую роль как в природе, так и в современной науке и технике. Его изучение привело к формированию целого ряда физических теорий, одной из важнейших среди которых стала квантовая теория. Особое место в её развитии занимает фотоэффект – явление, экспериментально подтвердившее корпускулярную природу света.

Фотоэффект – это явление, при котором свет (или другое электромагнитное излучение) вызывает выбивание электронов из вещества. Впервые он был теоретически объяснён Альбертом Эйнштейном в 1905 году, что стало одним из ключевых этапов в становлении квантовой механики. Исследование фотоэффекта не только позволило по-новому взглянуть на природу света, но и открыло широкие возможности для практического применения этого явления.

Неотъемлемой частью изучения света является фотометрия – наука, занимающаяся измерением световых характеристик, прежде всего видимого излучения, воспринимаемого человеческим глазом. В рамках выполнения эксперимента фотометрические характеристики рассматриваются нами на примере фотоэффекта, что позволяет связать теоретические представления о свете с экспериментальными методами его исследования.

1. Фотоэффект как физическое явление

Фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Впервые это явление было обнаружено в 1887 году Генрихом Герцем при изучении электрических разрядов. Он заметил, что под действием ультрафиолетового света процесс искрообразования значительно облегчается. В дальнейшем исследования фотоэффекта были продолжены Ф. Ленардом и Дж. Томпсоном, которые экспериментально изучили движение фотоэлектронов и их энергетические характеристики.

Существенный вклад в теоретическое объяснение фотоэффекта внёс Альберт Эйнштейн. В 1905 году он предложил квантовую теорию фотоэффекта, согласно которой свет излучается и поглощается порциями – квантами, или фотонами. Энергия одного фотона пропорциональна частоте света и определяется формулой , где h — постоянная Планка, ν – частота излучения.

Согласно теории Эйнштейна, фотон передаёт всю свою энергию одному электрону. Часть этой энергии расходуется на преодоление работы выхода — минимальной энергии, необходимой для удаления электрона из вещества, а оставшаяся часть переходит в кинетическую энергию фотоэлектрона. Таким образом, максимальная кинетическая энергия электронов определяется выражением , где A – работа выхода электрона из данного вещества [1, С. 380-381, 387-388].

2. Основные аспекты фотоэффекта

Фотоэффект является одним из ключевых явлений квантовой физики, так как наглядно демонстрирует особенности взаимодействия света с веществом. Его основные аспекты заключаются в следующем:

1. Корпускулярная природа света

Фотоэффект подтверждает, что свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными свойствами. В рамках квантовой теории свет рассматривается как поток частиц – фотонов, каждый из которых несёт определённую энергию. Энергия фотона зависит от частоты излучения и определяется соотношением .

Именно корпускулярная природа света позволяет объяснить мгновенный характер фотоэффекта и зависимость энергии фотоэлектронов от частоты падающего излучения.

2. Механизм выбивания электронов

При падении света на поверхность вещества фотон взаимодействует с электроном. Если энергия фотона превышает работу выхода электрона – минимальную энергию, необходимую для его удаления из вещества, – электрон покидает поверхность металла.

Часть энергии фотона расходуется на преодоление работы выхода, а оставшаяся часть переходит в кинетическую энергию фотоэлектрона. Если энергия фотона меньше работы выхода, фотоэффект не возникает независимо от интенсивности света.

3. Зависимость фотоэффекта от частоты света

Одной из важнейших особенностей фотоэффекта является решающая роль частоты излучения. Экспериментально установлено, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит исключительно от частоты света и не зависит от его интенсивности.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – минимальная частота света, при которой ещё возможно выбивание электронов. Свет с частотой ниже этой границы не вызывает фотоэффект даже при очень высокой интенсивности.

4. Экспериментальные подтверждения

Эксперименты с использованием вакуумных фотоэлементов подтвердили теоретические выводы Эйнштейна. Было показано, что:

1. фототок насыщения пропорционален интенсивности падающего света;

2. максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется частотой излучения;

3. фотоэффект возникает практически мгновенно.

Эти результаты стали прямым экспериментальным доказательством квантовой природы света [1, С. 380-382].

3. Основные законы внешнего фотоэффекта

В результате многочисленных экспериментов были установлены основные законы внешнего фотоэффекта:

1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от его интенсивности;

2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – минимальная частота (или максимальная длина волны) света, при которой ещё возможно выбивание электронов;

3. Количество фотоэлектронов, испускаемых катодом за единицу времени, прямо пропорционально интенсивности падающего излучения [1, С. 378-380].

Эти законы не могли быть объяснены в рамках классической волновой теории света и стали одним из важнейших доказательств справедливости квантовых представлений.

4. Применение фотоэффекта

Фотоэффект нашёл широкое применение в науке, технике и современных технологиях.

1. Фотоэлементы и фотодетекторы

На основе внешнего фотоэффекта создаются фотоэлементы, используемые для регистрации и измерения светового излучения. Они применяются в измерительной технике, автоматике, системах сигнализации и оптических приборах.

2. Солнечные батареи

Внутренний фотоэффект лежит в основе работы солнечных элементов, преобразующих световую энергию в электрическую. Такие устройства широко используются в энергетике, космической технике и бытовых солнечных панелях.

3. Фотометрия и измерение света

Фотоэффект используется в фотометрии для определения светового потока и освещённости. Измеряя фототок, можно судить о фотометрических характеристиках источника света, что активно применяется в лабораторных и прикладных исследованиях.

4. Научные исследования и оптические приборы

Фотоэффект применяется в вакуумной электронике, спектроскопии, астрофизике и квантовой оптике. Он является важным инструментом для изучения свойств веществ и электромагнитного излучения [1, С. 383-384].

5. Основные аспекты фотометрии и фотометрические величины

Фотометрия – это наука, занимающаяся измерением света, в частности, видимого излучения, которое воспринимается человеческим глазом. Она играет важную роль в различных областях, включая астрономию, фотографию, освещение и оптику. Фотометрия изучает, как свет взаимодействует с объектами и как он воспринимается человеческим глазом.

К основным фотометрическим величинам относятся:

1. световой поток, измеряемый в люменах (лм);

2. сила света, измеряемая в канделах (кд);

3. освещённость, измеряемая в люксах (лк);

4. яркость, характеризующая светимость поверхности.

В контексте изучения свойств фотоэффекта особый интерес представляет энергетическая освещённость фотокатода, так как именно она определяет величину фототока насыщения. Экспериментально устанавливается, что фототок насыщения пропорционален энергетической освещённости поверхности, на которую падает свет [1, С. 310-311].

6. Методы фотометрии

Для измерения фотометрических величин используются различные методы, среди которых можно выделить следующие:

1. Традиционные фотометрические методы, основанные на применении фотометров. Такие приборы могут быть аналоговыми или цифровыми и позволяют измерять освещённость, яркость и силу света.

2. Спектрофотометрия – метод, при котором измеряется интенсивность света на различных длинах волн. Он используется для анализа спектрального состава излучения и свойств материалов.

3. Фотоэлектрические методы, основанные на использовании фотоэлементов, в которых фототок служит мерой светового потока или освещённости. Эти методы обладают высокой точностью и широко применяются в современных измерительных системах [2, С. 56-61].

7. Применение фотометрии

Фотометрия находит широкое применение в различных областях науки и техники:

1. В астрономии фотометрические методы используются для измерения яркости звёзд и других небесных объектов, что позволяет определять их физические характеристики и расстояния.

2. В фотографии и киноиндустрии фотометры применяются для правильного выбора экспозиции и освещения сцены.

3. В светотехнике и архитектуре фотометрия используется при проектировании эффективных и безопасных систем освещения.

4. В научных и промышленных исследованиях фотометрические измерения применяются для контроля качества оптических приборов и материалов [1, С. 383-384].

Таким образом, фотометрия является важной дисциплиной, обеспечивающей количественное описание света и его практическое использование.

8. Связь фотометрии и фотоэффекта

Изучение фотоэффекта позволяет наглядно проследить связь между фотометрическими характеристиками света и электрическими параметрами фотоэлемента. При увеличении интенсивности светового потока возрастает число фотонов, падающих на катод за единицу времени, что приводит к увеличению числа выбитых электронов и, следовательно, фототока.

Таким образом, фототок может служить мерой светового потока или энергетической освещённости, что широко используется в различных фотодетекторах и фотоэлементах. Фотоэффект лежит в основе работы солнечных батарей, светочувствительных датчиков и измерительных приборов, применяемых в фотометрии.

9. Лабораторная работа «Изучение внешнего фотоэффекта»

Работа по изучению фотоэффекта проводилась в лаборатории электричества и оптики кафедры ФиМПФ.

Цель работы: Изучить основные законы фотоэффекта.

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Это явление было открыто Г. Герцем в 1887 г. Он заметил, что проскакивание искры между шариками электрического разрядника облегчается, если один из шариков осветить ультрафиолетовыми лучами. Для исследования фотоэффекта Ленард и Томпсон предложили следующее устройство (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема физической установки

Свет, проникающий через кварцевое окошко Кв, освещает катод К. В отличие от обычного стекла кварцевое пропускает ультрафиолетовые лучи. Это позволяет расширить диапазон длин волн при исследованиях. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду А. Гальванометр G измеряет ток, текущий в цепи. Напряжение между анодом и катодом можно изменять при помощи потенциометра П.

Полученная вольтамперная характеристика (зависимость фототока I от напряжения между электродами U) приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Вольтамперная характеристика

Характеристика снимается при неизменном потоке света, падающего на кварцевое окошко. Видно, что при некотором напряжении фототок достигает насыщения, то есть с ростом напряжения он остается постоянным. Это говорит о том, что все электроны, испущенные катодом, достигают анода. То есть, ток насыщения Iн определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени. Постепенное увеличение тока на начальном участке кривой указывает на то, что электроны вылетают с катода с разными скоростями. Ненулевой ток при U = 0 свидетельствует о том, что часть электронов обладает скоростями, позволяющими им долететь до анода самостоятельно, без помощи ускоряющего поля. Для обращения тока в нуль нужно приложить задерживающее напряжение Uв. Поэтому можно написать:

, (1)

где – максимальная кинетическая энергия электрона, Дж;

е – заряд электрона, Кл.

При движении электрона от катода к аноду его кинетическая энергия переходит в потенциальную в электростатическом поле катод – анод. Измерив задерживающее напряжение U₃, можно определить максимальное значение скорости фотоэлектронов.

Было выяснено, что максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты – увеличение частоты приводит к возрастанию скорости. Экспериментальные зависимости не согласуются с классическими представлениями. Действительно, интенсивность электромагнитной волны пропорциональна квадрату амплитуды колебаний светового вектора Е, где Е – напряженность электрического поля. Под действием этого поля свободные электроны совершают колебания, чем больше интенсивность света, тем больше амплитуда колебаний. При большей амплитуде колебаний электрон должен вылетать с большей скоростью. То есть скорость фотоэлектронов должна зависеть от интенсивности световой волны, что противоречило экспериментальным данным.

А. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта объясняются, если предположить, что свет поглощается порциями (квантами) с энергией , где ђ – постоянная Планка, ω – циклическая частота световой волны. По предположению Эйнштейна энергия, поглощенная электроном, доставляется ему в виде кванта , который поглощается им целиком. Часть этой энергии, равная работе выхода А, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Работой выхода называется наименьшая энергия, которую необходимо сообщать электрону для того, чтобы удалить его из тела. В этом случае должно выполняться соотношение:

(2)

Фотоэффект и работа выхода в сильной степени зависят от состояния поверхности металла (в частности, от находящихся на ней окислов и адсорбированных веществ). В 1916 г. Милликен создал прибор, в котором исследуемые поверхности подвергались очистке в вакууме, после чего измерялась работа выхода и исследовалась зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света (эта энергия определялась путем измерения задерживающего потенциала U₃). Результаты оказались в полном согласии с формулой (2).

Из формулы (2) вытекает, что в случае, когда работа выхода А превышает энергию кванта , электроны не могут покинуть поверхность металла. Следовательно, для возникновения фотоэффекта необходимо выполнение условия или

(3)

Для длины волны получается условие:

(4)

Частота ω₀ или длина волны λ₀ называется красной границей фотоэффекта.

Резюмируя вышесказанное можно сформулировать законы фотоэффекта:

1) максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;

2) для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта (ФЭ), т.е. минимальная частота ν₀ света, при которой еще возможен внешний фотоэффект (ν₀ зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности);

3) число фотоэлектронов n, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света (фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности Е катода).

Порядок выполнения работы

Для исследования фотоэлемента нами была собрана схема, изображенная на рисунке 1. В установке использовался вакуумный фотоэлемент СЦ-4 (ФЭ). Реостат R служит для регулирования напряжения, подаваемого на ФЭ. Микроамперметром МКА измеряют фототок I, а вольтметром V – напряжение U, подаваемое на ФЭ. Для формирования светового потока использовалась осветительная лампочка, которая включается в сеть переменного тока с напряжением 220 В.

Эксперимент 1 – Участие в эксперименте по определению вольтамперной характеристики I(U):

1. Установили осветительную лампочку на расстоянии l = 25 см от ФЭ.

2. Подключили осветительную лампочку к сети ~ 220 В, а собранную цепь – к сети 200 В постоянного тока.

3. Сняли вольтамперную характеристику (ВАХ) ФЭ, занося результаты в таблицу 1.

Таблица 1 – Исходные данные для определения вольтамперной характеристики

Ua,B	0	15	30	45	60	75	90	105	120	135	150	165
I, мкА l=0,25м	2	4	8	12	15	18	22	24	26	30	30	30

4. Построили график зависимости фототока I от напряжения: I = f(U).

5. По графику определили силу тока насыщения Iн.

6. Снятие зависимости тока насыщения от энергетической освещенности фотокатода Iн(Е):

Изменение энергетической освещенности фотокатода Е достигается изменением расстояния l между нитью накала осветительной лампочки и приемной площадкой ФЭ.

Таблица 2 – Исходные данные для определения тока насыщения от энергетической освещенности фотокатода Iн

l, м	0,40	0,35	0,30	0,25	0,2
l-2, м2	6,25	8,16	11,1	16	25
I, μА	10	14	18	22	52

7. Построили график зависимости I = f (l^-2).

Вывод: В ходе выполнения лабораторной работы были экспериментально изучены основные законы фотоэффекта. Полученные результаты подтвердили квантовую природу света и продемонстрировали связь фотометрических характеристик излучения с электрическими параметрами фотоэлемента. Таким образом, фотоэффект является наглядным и важным примером применения фотометрии в экспериментальной физике и современной технике.

Списки используемых источников

1 Трофимова Т.И. Курс физики: учебник / Т.И. Трофимова. – М.: Высшая

школа, 1990. – 16 с.

2 Теоретическая фотометрия - Сапожников Р.А. – 1967. – 5 с.

Код для цитирования: Скопировать