Световые Кванты

В конце XIX в. было открыто явление, которое не могла объяснить классическая электродинамика Максвелла. Этим явлением оказался фотоэлектрический эффект.

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют явление испускания электронов веществом под действием света. Оно было открыто Г. Герцем в 1887 г., а первые экспериментальные исследования были выполнены русским ученым А. Г. Столетовым, который установил ряд закономерностей фотоэффекта.

Для решения проблемы излучения энергии абсолютно черным телом М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: излучение электромагнитных волн происходит порциями. Энергия порции излучения пропорциональна частоте излучения:

где h - постоянная Планка и равна h = 6, 63 • 10^-34Дж*/с, v - частота излучения. Впоследствии эта порция излучения была названа квантом, фотоном.

В дальнейшем при изучении фотоэффекта различными учеными были открыты его законы. При этом использовалась установка, собранная по схеме (рис. 110).

В стеклянный баллон, из которого выкачали воздух, помещали два электрода. Внутрь баллона через кварцевое стекло, которое пропускает ультрафиолетовые лучи, поступает свет. На электроды подается напряжение, причем освещаемый электрод подключается к отрицательному полюсу источника тока. Напряжение, подаваемое на электроды, можно изменять с помощью потенциометра и измерять вольтметром. Под действием света отрицательно заряженный электрод испускает электроны, которые, направляясь к положительно заряженному электроду, образуют электрический ток. Если, не меняя интенсивность излучения, изменять разность потенциалов между электродами, то можно получить вольт-амперную характеристику (зависимость I от U) (рис. 111).

При достижении максимального значения сила тока не меняется. Максимальное значение силы тока I_В называют током насыщения. Изменяя в опыте интенсивность излучения, удалось установить первый закон фотоэффекта: количество электронов, вырываемое с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощенной энергии световой волны.

Электроны, вылетающие с поверхности катода, имеют некоторую скорость и могут достичь анода. Чтобы ток стал равен нулю, необходимо изменить полярность батареи и подать напряжение U₃ (задерживающее напряжение), которое определяется выражением:

При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не меняется. Оно меняется с изменением частоты падающего света.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с его частотой и не зависит от интенсивности падающего света.

Если частота света меньше некоторой постоянной величины для данного вещества, то фотоэффект не наблюдается.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует " красная граница" - минимальная частота V_К(максимальная длина волны Л_к), при которой фотоэффект еще наблюдается.

Классическая электродинамика Максвелла не смогла объяснить второй и третий законы фотоэффекта и, кроме того, безынерционность этого явления. Квантовая теория легко объясняет все законы фотоэффекта.

1-й закон. Согласно квантовой теории свет испускается в виде потока квантов. Чем больше поток квантов, тем больше интенсивность света и тем большее число электронов будет выбито с поверхности металла. Если напряжение будет таким, что все электроны, выбитые фотонами, достигнут электрода (положительного), то ток насыщения будет зависеть от интенсивности света.

А. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается квантами, как это показал М. Планк, но и поглощается квантами. Энергия кванта света расходуется на сообщение электрону кинетической энергии и на работу его выхода из катода, т. е.

где hv - энергия поглощенного кванта, А_вых- работа выхода электронов из вещества,

- кинетическая энергия электрона. Уравнение А. Эйнштейна представляет собой закон сохранения энергии при фотоэффекте.

2-й закон. Примем условие, что один электрон поглощает один квант. Тогда его потенциальная и кинетическая энергия увеличивается, при этом совершается работа выхода (А) и приобретается скорость v. Энергия кванта света hv идет на совершение работы выхода А_вых, т. е. работы, которую надо совершить для вырывания электронов из металла и на сообщение ему кинетической энергии:

= hv - А. Так как работа выхода для данного вещества постоянна, то очевидно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов (выбитшьяад дейнявием свете) линейно зависит от частоты.

3-й закон. Как видно из уравнения А. Эйнштейна, фотоэффект будет наблюдаться, если hv > А_вых. При hv < А_вых фотоэффект не наблюдается. Если hv_кp = А, то электроны освобождаются с нулевой скоростью. Учитывая, что

Отсюда можно вычислить красную границу фотоэффекта v_кp

Фотон

В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц, которая обладает следующими свойствами:

1. Фотон является электрически нейтральной частицей, т. е. его заряд равен нулю (q = 0).

2. Во всех системах отсчета скорость фотона равна скорости света в вакууме (м = с).

3. Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения, квантом которого он является (Е = hv).

4. Импульс фотона равен отношению его энергии к скорости и обратно пропорционален длине волны

Применение фотоэффекта: телевидение; звуковое кино; энергетика (солнечные батареи); быстродействующие реле (автоматика), военная техника и др.

⇐ Предыдущая 12