Фотоэффект это испускание электронов веществом под действием

Фотоэффект – это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения (фотонов). Фотоэффект был открыт Генрихом Герцем в 1887 году Различают: внешний фотоэффект, при котором поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела, и внутренний фотоэффект, при котором электроны, оставаясь в теле, перераспределяются по энергетическим уровням. Внутренний фотоэффект проявляется в изменении электропроводности, диэлектрической проницаемости вещества или в возникновении на его границах электродвижущей силы, называемой фото ЭДС.

Установка для исследования внешнего фотоэффекта В баллоне высокий вакуум. Свет проникает через кварцевое окошко и освещает катод K. Электроны, испущенные катодом вследствие фотоэффекта, перемещаются под действием электрического поля к аноду A. В результате в цепи потечет ток, измеряемый гальванометром Г. Напряжение U между анодом и катодом можно менять с помощью реостата R.

Зависимость фототока I от напряжения U при двух значениях светового потока , причем 2 > 1.

Анализ этой зависимости и опыты, проведенные на установке, позволяют сделать следующие заключения: 1. Фототок появляется через 10 -8 c после начала облучения, т. е. фотоэффект является практически безынерционным. 2. При некотором напряжении фототок достигает насыщения, т. е. все электроны, испускаемые катодом, попадают на анод (горизонтальный участок графика). 3. При уменьшении напряжения между катодом и анодом до 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью и могут достигнуть анода без внешнего поля. Чтобы фототок стал равен нулю, надо приложить задерживающее напряжение в обратном направлении Uз. 4. Увеличение падающего светового потока не влияет на величину задерживающего напряжения.

Опытным путем установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта: 1. Закон Столетова (1888 -1889 гг. ): при фиксированной частоте падающего света величина фототока насыщения прямо пропорциональна падающему световому потоку. 2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности. 3. Для каждого вещества существует минимальная частота света, при которой ещё возможен внешний фотоэффект. Эта минимальная частота 0 (или максимальная длина волны 0) зависит от химической природы вещества, состояния его поверхности и называется красной границей фотоэффекта. Второй и третий законы фотоэффекта находятся в противоречии с представлением классической физики о волновой природе света. Действительно, чем больше световой поток, тем больше энергия, переносимая световой волной, т. е. тем большую энергию должны были получать фотоэлектроны.

Квантовая теория фотоэффекта. А. Эйнштейн показал (1905 г. ), что все закономерности фотоэффекта объясняются, если предположить, что свет не только испускается, но и поглощается порциями (квантами). Рассмотрим с квантовой точки зрения фотоэффект в металлах Согласно Эйнштейну, энергия фотона поглощается им целиком. , полученная электроном, Для того чтобы покинуть металл, электрон должен совершить работу выхода Aвых, против сил притяжения положительных ионов кристаллической решетки. Если полученная электроном энергия то он при вылете будет обладать кинетической энергией. Величина этой энергии максимальна, если электрон покидает металл с поверхности, а не из глубины. В этом случае в соответствии с законом сохранения энергии выполняется соотношение, которое называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

Объяснение II закона фотоэффекта Из формулы Эйнштейна следует, что максимальная кинетическая энергия электрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов) Объяснение III закона фотоэффекта Фотоэффект с поверхности данного вещества наблюдается только при частотах, удовлетворяющих условию Тогда красную границу фотоэффекта 0 можно определить из уравнения Следовательно Выражение для максимальной длины волны

Зная величину задерживающего напряжения можно определить кинетическую энергию электронов По величине частоты 0, соответствующей красной границе можно найти работу выхода электронов из металла Уравнение Эйнштейна преобразованное к виду может быть использовано для экспериментального определения постоянной Планка

Масса и импульс фотона. Помимо энергии, фотон обладает также массой и импульсом. Массу фотона можно вывести из закона взаимосвязи массы и энергии следовательно Фотон движется со скоростью света =с Подстановка этого значения скорости в формулу обращает знаменатель в ноль. Вместе с тем, согласно формуле масса фотона имеет конечное значение. Это возможно лишь в том случае, если масса покоя m 0 фотона равна нулю. Таким образом, фотон не имеет массы покоя и может существовать, только двигаясь со скоростью света c.

Выражение для импульса фотона имеет вид: Давление света Свет, падающий на какое-то тело, должен оказывать на это тело давление, равное импульсу, сообщаемому фотонами единице поверхности в единицу времени. Давление будет зависеть от того, поглощаются фотоны телом или отражаются от него Каждый из поглощенных фотонов передает поверхности свой импульс pф. При отражении фотоны подобны абсолютно упругим шарикам. В этом случае, считая систему «фотон – поверхность» замкнутой и, применяя закон сохранения импульса, получим: – импульсы фотона до и после взаимодействия с поверхностью – импульс, передаваемый телу фотоном

Тогда В проекции на ось x: Так как для упругого взаимодействия Таким образом, каждый отраженный фотон передает телу импульс каждый поглощенный фотон Пусть N – общее число фотонов, падающих на тело. – число фотонов, падающих на единицу поверхности тела в единицу времени.

Если коэффициент отражения , то с единицы площади за единицу времени отражается n фотонов, а поглощается (1 -n) фотонов По II закону Ньютона, давление света на поверхность равно суммарному импульсу, который передают единице поверхности за одну секунду падающие фотоны. Следовательно, давление света на тело выражается формулой: Энергию света можно выразить через число фотонов: На поверхность S за время t падают фотоны, находящиеся в объеме Тогда объемная плотность энергии: Отсюда:

Эффект Комптона А. Комптон (1923 г ), исследовал рассеяние рентгеновских лучей различными веществами (графит, Li, Be, B). Схема опыта Узкий пучок монохроматических рентгеновских лучей падает на рассеивающее вещество. Спектральный состав рассеянного излучения исследовался с помощью рентгеновского спектрографа. В рассеянных лучах наряду с излучением первоначальной длины волны , содержатся также лучи большей длины волны '. Разность = '- оказалась независящей от и от природы рассеивающего вещества.

Была установлена следующая закономерность: q - угол рассеяния, c =2, 42 пм - комптоновская длина волны Комптон показал, что данное явление можно объяснить с квантовой точки зрения, как процесс упругого столкновения рентгеновских фотонов с практически свободными электронами.

Пусть на первоначально покоящийся в рассеивающем веществе электрон с энергией и импульсом падает фотон с энергией и импульсом После столкновения электрон будет обладать энергией и импульсом Энергия и импульс фотона также изменятся и станут равными и.

Запишем закон сохранения импульса и закон сохранения энергии Преобразуем выражение для энергии к виду и возведем в квадрат (1) По теореме косинусов или (2)

Вычитая уравнение (2) из (1), получим: Из формулы следует следовательно, после сокращений получим Так как то можно записать следовательно Эта формула совпадает с записанной ранее эмпирической формулой, так как

Свет обнаруживает корпускулярно-волновой дуализм. Такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация свидетельствуют о его волновых свойствах. С другой стороны законы теплового излучения, фотоэффект и эффект Комптона объясняются исходя из квантовых (корпускулярных) представлений о свойствах света.