Законы внешнего фотоэффекта.

1) Сила тока насыщения прямо пропорциональна световому потоку и не зависит от частоты света: I _нас.=γ Ф.

2) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.

3) Существует красная граница фотоэффекта, то есть такая частота ν₀, при которой начинается фотоэффект: при фотоэффект есть, а при ν<ν₀ фотоэффекта нет. Красная граница – своя для каждого вещества катода.

4) Фотоэффект безинерционен. Это было замечено ещё Столетовым.

Законы фотоэффекта не могут быть объяснены волновой теорией. Они получили объяснение в 1905 г. А. Эйнштейном на основании гипотезы о световых квантах: свет поглощается отдельными порциями – фотонами с энергией ε _γ= h ν. Фотон попадает на катод, поглощается электроном и передаёт ему эту энергию.

И

Интегральная интенсивность излучения (полная энергетическая светимость) R _T численно равна энергии всех длин волн, излучаемой за единицу времени с единичной площади поверхности тела: .

К

Квантовая гипотеза Планка. Для объяснения законов теплового излучения Макс Планк выдвинул гипотезу, совершенно чуждую представлениям классической физики. Он предположил, что электромагнитное излучение испускается и поглощается дискретными порциями энергии – квантами электромагнитного поля (фотонами). Энергия такого кванта пропорциональна частоте колебаний ε _γ= h ν, а коэффициент пропорциональности h =6.63^.10^-34Дж^.с – постоянная Планка – получил название в честь автора квантовой гипотезы.

Комптоновское рассеяние – это упругое рассеяние рентгеновского излучения на свободных электронах (или протонах, или нейтронах). В рассеянных лучах наряду с первичным излучением с длиной волны λ присутствует излучение с длиной волны λ’>λ (рис.), причём изменение длины волны Δλ зависит только от угла рассеяния θ:

Δλ=λ’–λ=λ_С(1-cosθ).

Здесь ; λ_С =2.43 пм – комптоновская длина волны.

С точки зрения классической электродинамики объяснение рассеяния с изменением длины волны невозможно. Эффект становится объяснимым, если полагать, что электромагнитное излучение представляет поток фотонов, каждый из которых обладает энергией ε _γ= h ν и импульсом и использовать законы сохранения энергии и импульса (см.рис.) для системы фотон-электрон.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота света ν₀, при которой возможен фотоэффект. Фотоэффект возможен только в том случае, если энергии фотона хватит электрону на работу выхода. Минимальная энергия фотона, вызывающего фотоэффект, равна работе выхода электрона из металла: h ν₀= A _вых., откуда красная граница: . Соответствующая длина волны (также называемая красной границей) равна ; причём фотоэффект есть при и отсутствует при λ>λ₀. Красная граница – своя для каждого вещества катода.

О

Оптическая пирометрия – метод измерения температуры нагретых тел на расстоянии путём сравнения яркостей свечения нагретых тел (см. оптический пирометр).

Оптический пирометр позволяет измерять температуру нагретых тел на расстоянии. Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении монохроматической яркости излучения накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити специальной пирометрической лампы накаливания. В поле зрения объектива наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне – нить лампочки (рис.). Если яркости нити и накаленного тела неодинаковы, нить будет видна более тёмной или более светлой, чем фон. Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить "исчезнет"). В этот момент яркостная температура нити равна яркостной температуре объекта измерения. Глаз весьма чувствителен к различению яркостей и момент "исчезновения" нити улавливается с достаточной уверенностью. Измерительный прибор, включенный в цепь нити накаливания, градуируется в °С (или К) яркостной температуры.

П

Первый закон Вина (закон смещения Вина). Длина волны λ_m, на которую приходится максимум монохроматической интенсивности излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре: . Здесь b =2.9^.10^-3 м^.К – первая константа Вина. Смысл закона: при повышении температуры максимум излучения смещается в область более коротких волн.

Полная энергетическая светимость – см. интегральная интенсивность излучения.

Р

Радиационная температура тела равна температуре абсолютно черного тела, при которой его яркость равна яркости излучающего тела. То есть, излучательная способность серого тела R_T=aσT⁴ равна излучательной способности абсолютно чёрного, имеющего температуру, равную радиационной Т _рад.: , откуда . Здесь а <1 – коэффициент серости. Для «серых» тел при одинаковой яркости излучения (при одинаковой радиационной температуре) истинная температура выше радиационной температуры.

С

Серое тело. Если поглощательная способность тела одинакова для всех длин волны и не равна 1, тело называют серым: a_{λ , T} = a =const<1. Величина а называется коэффициентом серости (или коэффициентом черноты). Полная энергетическая светимость серого тела равна R_T=aσT⁴ (см. законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа).

Спектральная плотность энергетической светимости (монохроматическая интенсивность излучения) численно равна энергии, излучаемой за единицу времени с единичной площади поверхности тела в единичном интервале длин волн: или частот: .

Спектральная поглощательная способность тела – это величина, показывающая, какую долю энергии падающего излучения в интервале длин волн [l; l+dl] вблизи данной длины волны l тело поглощает: .

Т

Тепловое излучение. Электромагнитное излучение тела, обусловленное тепловым движением молекул (атомов), называется тепловым. Любое тело с температурой выше абсолютного нуля (Т >0) излучает. Спектр теплового излучения – сплошной. Законы теплового излучения, сначала установленные экспериментально, получили объяснение в квантовой теории М.Планка.

У

Ультрафиолетовая катастрофа – невозможность решения проблемы теплового излучения методами классической физики. Классическая физика оказалась несостоятельной при описании теплового излучения: с точки зрения классической физики вывод формулы Рэлея-Джинса для спектральной энергетической светимости безупречен, но она расходилась с экспериментальными данными, причём особенно сильно в коротковолновой области (отсюда и название – ультрафиолетовая) – см. рис.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: – это закон сохранения энергии для системы фотон-электрон. Фотон с энергией ε _γ= h ν попадает на катод, поглощается электроном и передаёт ему энергию. Часть энергии электрон тратит на работу выхода, часть остаётся у него в виде кинетической энергии, и часть может быть передана кристаллической решётке. Тогда максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна ; она линейно зависит от частоты света (от энергии одного фотона) и не зависит от интенсивности света.

Ф

Формула Планка. Исходя из предположения, что электромагнитное излучение испускается и поглощается дискретными порциями – квантами – с энергией ε _γ= h ν, Планк получил, что спектральная плотность энергетической светимости абсолютно чёрного тела равна , или, при переходе от частоты к длине волны: . Это и есть формула Планка; она хорошо согласуется с экспериментальными данными (см.рис.) и позволяет получить законы Вина и Стефана-Больцмана.

Фотон – квант электромагнитного поля. Гипотезу о квантах впервые предложил М. Планк для объяснения законов теплового излучения, затем развил А. Эйнштейн при объяснении законов внешнего фотоэффекта. Свет излучается, распространяется и поглощается отдельными порциями, квантами – фотонами. Фотоны переносят энергию и импульс: энергия фотона равна ε _γ= h ν; импульс . Здесь ν – частота света, λ – длина волны света, c – скорость света в вакууме, h =6.625·10^-34 Дж^.с – постоянная Планка. Масса фотона равна нулю.

Фотоэлектрон – электрон, выбитый с поверхности катода фотоном в результате внешнего фотоэффекта.

Фотоэффект – см. внешний фотоэффект, законы фотоэффекта.

Э

Эффект Комптона – см. комптоновское рассеяние.