Явление внешнего фотоэлектрического эффекта (фото-электронной эмиссии) состоит в испускании электронов веществом при воздействии на них световой энергии. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.
Явление внешнего фотоэффекта было исследовано А.Г. Столетовым в 1888 году. Оказалось, что: 1) при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла в еди-ницу времени, пропорционально интенсивности света; 2) величина мак-симальной скорости фотоэлектронов не зависит от интенсивности па-дающего света, а определяется лишь длиной его волны 
(частотой ν): 
; 3) каждому веществу свойственна длинноволновая (крас-ная) граница фотоэффекта 
, зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности. При 
фотоэффект не наблюдается.
С волновой точки зрения классическая физика эти особенности фотоэффекта не может объяснить. Полностью объясняет явление фотоэффекта лишь квантовая теория света, предложенная Эйнштейном в 1905 г. За открытие и объяснение законов фотоэффекта Эйнштейн в 1921 г. был удостоен Нобелевской премии по физике.
Современная квантовая теория рассматривает свет как поток отдельных частиц, называемых фотонами. Энергия фотона e зависит от частоты света n (длины волны l):
, (2.1)
где h – постоянная Планка, c – скорость света в вакууме.
При фотоэффекте фотон, встречаясь со свободным электроном металла, отдает всю свою энергию 
этому электрону. Электрон, получив энергию фотона, затрачивает часть ее на преодоление потенциального барьера (работу выхода электрона из металла А), а оставшаяся часть идет на сообщение этому электрону кинетической энергии вне металла 
. По закону сохранения энергии,
, или 
. (2.2)
Это соотношение получило название уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Из уравнения Эйнштейна видно, что скорость электрона 
, вырванного из металла в результате фотоэффекта (фотоэлектрона), зависит от частоты n (длины волны l) падающего света, так как величины h, m, A (для данного металла) постоянные. Следовательно, если 
то и 
, тогда
. (2.3)
Более того, скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности I падающего света, поскольку интенсивность монохроматического () света определяется числом фотонов в пучке: 
. Если большее число фотонов N встречается со свободными электронами внутри металла, то будет больше вырванных фотоэлектронов, скорость же их не изменится.
Яндекс.Директ
 Помощь в написаниикурсовых работОт 500 р! Срок от 1 дня! Без посредников и переплат! Доработка бесплатно!author24.ru
|
 Изолирующие соединенияГазопроводные изолирующие соединения. Доставка по всей России.ttgas.ruАдрес и телефон
|
Если энергия фотона такова, что 
, то, согласно уравнению Эйнштейна (2.2), 
и 
. Следовательно, при осве-щении металла светом, длина волны которого 
, энергия фотона 
достаточна лишь для того, чтобы совершить работу выхода А (удалить электрон из металла), но не достаточна для сообщения электрону скорости, когда он покинет металл. Длина волны 
называется красной границей фотоэффекта. Таким образом, при
. (2.4)
Это выражение представляет собой уравнение Эйнштейна для красной границы. Согласно выражению (2.4), красная граница фотоэффекта определяется по формуле
. (2.5)
Таким образом, красная граница фотоэффекта , зависящая только от работы выхода электрона из металла А, различна для разных металлов (поскольку для разных металлов А различна).
Если длина волны света 
, то фотоэффект не наблюдается, так как в этом случае энергия кванта меньше работы выхода электрона (
). Электрон обладает энергией, недостаточной для преодоления потенциального барьера, и остается внутри металла.
Яндекс.Директ
 Услуги по лесной таксации!Быстро! Качественно! Минимальные сроки! Выгодные цены! Звони!tverlesproekt.ruАдрес и телефон
|
 iPhone 7 128gbза 48500 рСупер скидки на iPhone 7 128gb в Белгороде! Официальная гарантия Apple!ipac31.ruАдрес и телефонБелгород
|
Таким образом, законы фотоэффекта свидетельствуют о следующем:
1) число вырванных фотоэлектронов пропорционально числу падающих фотонов (интенсивности света) при ;
2) кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте n (длине волны λ) падающего света;
3) каждому веществу свойственна красная граница фотоэффекта (
).
Фотоэффект безынерционен, то есть испускание фотоэлектронов начинается сразу же, как только на металл падает свет с длиной волны 
. Это свойство внешнего фотоэффекта является ещё одним подтверждением квантового характера взаимодействия света с вещест-вом. Согласно же классическим волновым представлениям, требуется значительное время для того, чтобы электромагнитная волна заданной интенсивности могла передать электрону энергию, достаточную для совершения им работы выхода.
Наиболее полно корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона. Американский физик А. Комптон (1892—1962), исследуя в 1923 г. рассеяние монохроматического рентгеновского излучения веществами с легкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также более длинноволновое излучение. Опыты показали, что разность ∆λ=λ’-λне зависит от длины волны λ падающего излучения и природы рассеивающего вещества, а определяется только углом рассеяния θ:
(5.1)
λ’ - длина волны рассеянного излучения, λс -комптоновская длина волны.
Эффектом Комптона называется упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и γ-излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.
Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, как это делает квантовая теория, что излучение имеет корпускулярную природу, т. е. представляет собой поток фотонов, то эффект Комптона — результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества (для легких атомов электроны слабо связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать свободными). В процессе этого столкновения фотон передает электрону часть своих энергии и импульса в соответствии с законами их сохранения.
Рассмотрим упругое столкновение двух частиц (рис. 4)— налетающего фотона, обладающего импульсом pγ=hv/cи энергией ξγ=hv, спокоящимся свободным электроном (энергия покоя W0=m0c2; m0— масса покоя электрона). Фотон, столкнувшись с электроном, передает ему часть своей энергии и импульса и изменяет направление движения (рассеивается). Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны рассеянного излучения. При каждом столкновении выполняются законы сохранения энергии и импульса. Согласно закону сохранения энергии,
(5.2)
а согласно закону сохранения импульса,
(5.3)
гдe W0=m0c2 – энергия электрона до столкновения, ξγ=hv — энергия налетающего фотона, 
— энергия электрона после столкновения (используется релятивистская формула, так как скорость электрона отдачи в общем случае значительна ε’γ=hv’ — энергия рассеянного фотона. Подставив в выражение (5.2) значения величин и представив (5.3) в соответствии с рис. 3, получим
Яндекс.Директ
 Apple iPhone 6S 128gb за 41900 рiPhone 6S 128gb за 41900 р в Белгороде. Официальная гарантия Apple! Заходи!
|  Еще не сделали заказ наiHerb?Более 35 000 полезных товаров. Низкие цены. Скидки! Доставка по России!
|  Зацепыдля скалолазанияПроизводство и продажа зацепов для скалолазания и фингербордов.
|
(5.4)
|
(рис. 3)
(5.5)
Решая уравнения (206.4) и (206.5) совместно, получим
Поскольку ν=c/λ, ν’=c/λ’ и ∆λ=λ’-λ, получим (5.6)
(5.6)
Выражение (5.6) есть не что иное, как полученная экспериментально Комптоном формула (5.1). Подстановка в нее значений h, mQ и с дает комптоновскую длину волны электрона λс=h/(m0c)=2,426 пм.
Наличие в составе рассеянного излучения несмещенной линии (излучения первоначальной длины волны) можно объяснить следующим образом. При рассмотрении механизма рассеяния предполагалось, что фотон соударяется лишь со свободным электроном. Однако если электрон сильно связан с атомом, как это имеет место для внутренних электронов (особенно в тяжелых атомах), то фотон обменивается энергией и импульсом с атомом в целом. Так как масса атома по сравнению с массой электрона очень велика, то атому передается лишь ничтожная часть энергии фотона. Поэтому в данном случае длина волны λlрассеянного излучения практически не будет отличаться от длины волны λпадающего излучения.
Из приведенных рассуждений следует также, что эффект Комптона не можетнаблюдаться в видимой области спектра, поскольку энергия фотона видимого света сравнима с энергией связи электрона с атомом, при этом даже внешний электрон нельзя считать свободным.
Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий.
Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором — поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободным электроном, а фотоэффект — со связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со свободным электроном не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, т. е. эффект Комптона.