Внешний и внутренний фотоэффект

Квантовая оптика

Свет обладает дуализмом:

- при взаимодействии с веществом, обладает корпускулярными свойствами

- при распространении обладает волновыми свойствами

Тепловое излучение - излучение, испускаемое нагретыми телами. Тепловое излучение возникает при любой температуре. По мере понижения температуры уменьшается интенсивность излучения и изменяется его спектральный состав

Абсолютно черное тело - тело, которое при любой не разрушающей его температуре полностью поглощает всю энергию падающего на него света любой частоты. Абсолютно черное тело является наиболее интенсивным источником теплового излучения

Чем больше длина волны излучения, тем больше оно обнаруживает волновые свойства, а чем меньше длина волны, тем отчетливее проявляются квантовые свойства излучения.

Поэтому появилась необходимость в появлении новых законов, которые мы сейчас называем законами квантовой физики.

Согласно классической физике электрон, вращаясь вокруг ядра, непрерывно теряет энергию, поэтому через время τ=10^-8 с, должен упасть на ядро, но это не происходит.

В классической физике испускание света источником рассматривается как непрерывный процесс. Считается, что излучающее тело непрерывно посылает в пространство электромагнитные волны и энергия источника света непрерывно изменяется

В 1900 г. немецкий физик М. Планк предположил следующее: энергия испускается телом не непрерывно, как предполагалось в классической физике, а отдельными дискретными порциями – квантами, энергия Е которых пропорциональна частоте ν колебаний:

Е=h∙v

h - постоянная Планка

h=6,63∙10^-34Дж∙∙с

Фотоны

Развитие гипотезы Планка привело к созданию квантовых свойствах света. Кванты света получили название фотоны. Энергия фотонаопределяется формулами E = hν и Е=m·c², отсюда используя эти формулы и с=λ·ν, выразим массу фотона

Импульс фотона – это произведение его массы на скорость р= m·c и подставив предыдущую формулу получим:

Фотон не имеет массы покоя

E = hν-энергия фотона

Импульс фотона

Внешний и внутренний фотоэффект

Фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света

Если электроны, выбитые светом вылетают за пределы вещества, то фотоэффект называется внешним. Если оторванные от своих атомов или молекул электроны остаются внутри освещаемого вещества, в качестве свободных, то такой фотоэффект называется внутренним.

Внешний фотоэффект впервые изучил А.Г. Столетов в 1890г., явление внутреннего фотоэффекта изучено А. Иоффе в 1908г.

В вакуумной трубке 2 электрода, один из них освещен светом, падающим через прозрачное окно. Часть вырванных электронов, обладая кинетической энергией, дойдет до электрода А, замкнет цепь, миллиамперметр покажет наличие тока. На графике видно, что ток есть даже при нулевом напряжении. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. При определенной разности потенциалов между электродами все вырванные из катода электроны достигнут анода, через гальванометр пойдет ток который определяется числом электронов, вырываемых светом с поверхности пнода в единицу времени. Этот ток называется током насыщения. I _н1 и I _н2 – токи насыщения. Если поле тормозит электроны, то при некотором значении U _з (запирающий потенциал) электроны не будут вылетать из катода.

Законы Столетова

1. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света

2.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности

Эйнштейн предположил, что явление фотоэлектрического эффекта является подтверждением дискретности света. То есть любое монохроматическое излучение представляет собой поток квантов, энергия которых пропорциональна частоте. Энергия кванта, падающего на вещество, расходуется на работу вырывания электронов из вещества и на сообщение электрону кинетической энергии

Формула Эйнштейна для фотоэффекта

А=h·νмин

А – работа выхода

νмин- красная граница фотоэффекта

Красная граница фотоэффекта - наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект

Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами

Дифракция электронов на золотой фольге

На установленной за фольгой фотопластинке отчетливо наблюдались концентрические светлые и темные кольца, радиусы которых изменялись с изменением скорости электронов

Атомная физика

Первая модель атома принадлежит Дж. Томсону (1903 г.). Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него

Экспериментальная проверка модели Томсона осуществлена в 1911 г. Э Резерфордом.

Опыт Резерфорда: пропускал α – частицы через золотую фольгу.

Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, и очень редкие α-частицы испытывали отклонение на углы, близкие к 180°

Резерфорд сделал вывод, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал ядром атома

В 1913 г. Н. Бор разработал теорию атома водорода, в основе которой положены два постулата.

Первый постулат Бора: атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает

Второй постулат Бора: при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний hν= En – Em

В начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии в излучении атома водорода в видимой области (линейчатый спектр)

К. Кирхгоф и Р. Бунзен обнаружили, что Каждому химическому элементу соответствует характерный, присущий лишь этому элементу набор спектральных линий в спектрах испускания и поглощения. Это означает: свет испускается и поглощается отдельными атомами, а атом в свою очередь, представляет собой сложную систему, способную взаимодействовать с электромагнитным полем. Об этом эе свидетельствует ионизация атомов, обнаруженная при исследовании электролиза и газового разряда.

Структуры соответствующих серий, относящихся к различным химическим элементам, схожи между собой. В пределах одной серии расположение спектральных линий имеет определенный порядок.

Совокупность спектральных линий атома водорода в видимой части спектра была названа серией Бальмера

Отрицательный заряд энергии означает, на бесконечно большом расстоянии потенциальная энергия зарядов равна 0, а при сближении зарядов она уменьшается. На первом энергетическом уровне n=1, энергия наименьшая, этот уровень называется основным энергетическим состоянием.

Для атома водорода радиус этого уровня r₁=5,28∙10^-11 м, энергия этого уровня Е₁=-13,55 эВ. При переходе с одного уровня на другой электрон теряет или поглощает квант света hν.

Формулы, определяющие расположение спектральных линий:

Где R=3,29∙10¹⁵ с^-1 – постоянная Ридберга

Исследования излучений в невидимой части спектра показали, что существуют серии, расположенные в инфракрасных и ультрафиолетовых частях спектра. Эти серии назвали серия Пашена и серия Лаймана.

Де Бройль предложил, что каждая орбита в атоме водорода соответствует волне, распространяющейся по окружности около ядра атома. Стационарная орбита возникает в том случае, когда волна непрерывно повторяет себя после каждого оборота вокруг ядра