Квантовая гипотеза Планка. Фотон
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия Е каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h — коэффициент пропорциональности — постоянная Планка, v — частота света.
Опытным путем вычислили h = 6,63·10-34 Дж·с.
Гипотеза M.Планка объяснила многие явления, а именно, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Г. Герцем.
Далее фотоэффект изучил экспериментально русский ученый Столетов.
Для изучения данного процесса Столетов использовал фотоэлемент, схема которого и его цепь рассмотрена ниже.
Для данного эксперимента ученый взял колбу из стекла, из которой полностью откачал воздух. Таким образом, он исключил все свободные атомы, способные помешать электронам двигаться. В колбу вывели электроды, подключенные к источнику напряжения. Поэтому на одном из них был положительный заряд (К), а на втором отрицательный (А).
При этом к трубке был подведен ультрафиолет, который освещал катод. В результате действия света на катод, с него начали выбиваться электроны. Под действием разности потенциалов электроны начали свое движение в направлении анода. Так как напряжение способствовало направленному движению электронов, то в цепи появился ток. Данный ток получил название фототока, а частицы, вылетевшие с поверхности катода - фотоэлектронами.
Фотоэффект — это вырывание электронов из вещества под действием света.
В результате исследований было установлено 3 закона фотоэффекта:
1. Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растает с частотой света и зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах фотоэффекта нет.
|
|
Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г.
В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света.
По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых ).
Работа выхода — это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Она зависит от типа металла и состояния его поверхности.
Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид:
— это уравнение Эйнштейна.
Если h v < Авых, то фотоэффекта не происходит. Предельную частоту v min и предельную длину волны λmax называют красной границей фотоэффекта. Она выражается так:
v min =A/h, λmax= λкр = hc/A, где λmax (λкр ) – максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается.
Красная граница фотоэффекта для разных веществ различна, т.к. А зависит от рода вещества.
Применение фотоэффекта в технике.
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.
|
|
Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. На этом явлении (внутреннего фотоэффекта) основано устройство фоторезисторов. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в часах, микрокалькуляторах. Полупроводниковые фотоэлементы используются в солнечных батареях на космических кораблях, в первых автомобилях.
Квантовая гипотеза Планка: излучение электромагнитных волн атомами и молекулами вещества происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. отдельными порциями – квантами. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте излучения:
Е = h v,
где h = 6,62 • 10–34 (Дж • с) – постоянная Планка.
Фотон – это квант света, представляющий из себя электрически нейтральную частицу, которая не имеет массы покоя, а существует только при движении ее со скоростью света в вакууме с = 3 • 108 м/с.
Энергия и импульс фотона выражаются через волновые физические характеристики – частоту и длину волны:
Е Ф = h V,
р Ф = (h • v) / c = h / λ
Для фотона как для релятивистской частицы выполняется закон взаимосвязи массы и энергии:
Е = m • с 2
Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта
|
|
Фотоэффект – это явление взаимодействия света с веществом в результате, которого происходит вырывание фотоэлектронов.
При внешнем фотоэффекте фотоэлектроны покидают поверхность тела. При внутреннем фотоэффекте фотоэлектроны остаются внутри вещества.
Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из металла. Работа выхода зависит только от рода материала и определяется по таблице.
Законы внешнего фотоэффекта:
· Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на вещество.
· Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов увеличивается при увеличении частоты падающего на вещество излучения и не зависит от интенсивности света.
· Для каждого вещества существует максимальная длина электромагнитной волны λmax (красная граница фотоэффекта), за которой начинается фотоэффект. Облучение вещества световыми волнами большей длины фотоэффект не вызывают.
Данные законы были установлены опытным путем, их невозможно объяснить с помощью волновой теории света. Явление фотоэффекта и его законы были объяснены А. Эйнштейном с помощью квантовой теории света.
Каждый фотон взаимодействует только с одним электроном.
Закон сохранения энергии называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:
Энергия фотона идет на совершение работы выхода и на сообщение выбитому фотоэлектрону кинетической энергии. 
Давление света
Давление света – это давление, которое создает электромагнитная волна, падая на поверхность тела.
Давление света на зеркальную поверхность в два раза больше, чем на черную (поглощающую) поверхность.
Изменение импульса фотона при отражении от зеркальной поверхности Δ р = 2 р 0. Изменение импульса фотона при поглощении есть Δ р = – р 0.
Если коэффициент отражения энергии препятствием равен R, а число падающих фотонов на единицу поверхности препятствия, при интенсивности света I равно:
N = I / (h • v)
то из них N • R фотонов отразится, a N • (1 – R) – поглотится поверхностью препятствия.
Полное давление света на поверхность препятствия равно:
