Внешний фотоэффект и его законы.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов металлом под действием света. Выбитые под действием света электроны назвыются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими в цепи, называется фототоком.

Фотоэффет был открыт Герцем в 1887 году. Изучая влияние света на протекание электрических процессов, учёный заметил, что проскакивание электрической искры между заряженными цинковыми шариками значительно облегчается, если один из них осветить ультрафиолетовых светом.

Подробное изучение влияния света на заряжённые тела было проведено А.Г. Столетовым. Одновременно фотоэлектрическое явление было изучено английским физиком Гальваксом.

Схема опыта Столетова: CП – Конденсатор, состоящий из полированной металлической пластинки П и металлической сетки С. Между пластинкой и сеткой создавалась разность потенциалов с помощью батареи Б.

Ток, возникающий между сеткой и пластинкой, измерялся гальванометром Г. Пластинка П освещалась светом от электрической дуги, причём интенсивность света и его спектральный состав можно было изменять.

Столетов установил следующие основные закономерности, которым подчиняется фотоэффект:

1)пластина теряет заряд только в том случае, если она заряжена отрицательно; заряд пластины не пропадает под влиянием света, если она заряжена положительно;

2)явление вызывается прнимущественно ультрафиолетовым светом;

3)разряжающее действие лучей пропорционально их энергии;

4)разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причём между моментом освещения и началом разряда не протекает заметного времени.

Для более детального узучения и установления законов фотоэфекта Столетов и другие исследователи использовали следующую установку. Металлическая пластинка (катод) Р Подсоединена к отрицательному полюсу батареи В, второй полюс подсоединён через гальванометр к аноду N. Оба электрода помещены в баллон из которого выкачан воздух. При освещении катода светом из него освобождаются фотоэлектроны, которые попадают в электрическое полемежду катодом и анодом.

Изучая вольт-амперные характеристики при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода, обобщения полученных данных были установлены следующие законы фотоэффекта:

1)Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется его частотой.

2)Для каждого металла существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (максимальная длина волны), зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

3)При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещённости катода): IН=b*Ф

где b – интегральная чувствительность фотокатода.

4)Фотоэффект безынерционен.

Формула Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Исходя из теории Планка о квантах, Эйнштейн предложил квантовую теорию фотоэффекта. Эйнштейн предположил, что свет не только излучается квантами, но и распространяется, и поглощается отдельными неделимыми порциями – квантами. Кванты представляют собой частицы с нулевой массой покоя, которые движутся в вакууме со скоростью С=3*108 м/с. Эти частицы получили название фотонов. Энергия квантов Е=hv.

       По Эйнштейну, каждый  квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно бытьь пропорционально числу поглрщённых фотонов, т.е. пропорционально интенсивности света. Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода (А) из металла ина сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии (mV2max/2). По закону сохранения энергии: hv=A+mV2max/2

 Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Эффект Комптона.

Исследуя в 1923 году рассеяние рентгеновских лучей, Комптон пришёл к открытию, известному теперь в литературе как эффект Комптона

Явление Комптона состоит в изменении длины волны рентгеновских лучей, происходящем при рассеянии их лёгкими атомами.

Схема Комптона. Монохроматическое излучение с длиной волны λ, исходящее из рентгеновской трубки, проходит через диафрагмы Д и Д1 и в виде узкого пучка  направляется на рассеиватель. Рассеянные лучи анализируются с помощью спектрографа рентгеновских лучей. С помощью этого опыта Комптоном было установлено, что при рассеянии рентгеновских лучей наблюдается увеличение длины волны Δλ.

Δλ=2К*sinθ/2, где θ- угол рассеяния  (угол между направлениями распространения первичного и рассеянного луча), К=0,241А – постоянная Комптона, найденная из опыта.

Явление Комптона можно объяснить на основе квантовой теории света. Будем рассматривать взаимодействие рентгеновского излучения с веществом как процесс столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами. Столкновение фотона со свободным электроном будем считать упругим.

       Пусть на покоящийся электрон с массой m0 падает квант рентгеновского излучения с энергией hv. В результате упругого столкновения рентгеновского фотона с покоящимся электроном последний приобретает импульс,равный mυ и происходит рассеяние фотона с энергией hv’ под углом θ. Применяя закон сохранения энергии и импульса получим: hv+mc02=hv’=mc2

    mυ2=(hv/c)2+(hv’/c)2-2(h/c)2vv’cosθ

Перепишем первое уравнение системы в виде:  m2c4=h2v2+h2(v’)2-2h2vv’+m02c4+2hm0c2(v-v’)

Вычитая из этого уравнения второе уравнение системы и принимая во внимание, что  m= m0/√1-υ2/c2

получим  hvv’(1-cosθ)=m02c2(v-v’).

Переходя от частоты к длине волны (v=c/λ, v’=c/λ’), имеем

 Δλ= h/m0c(1-cosθ)=2h/m0csin2(θ/2), где Δλ=λ’-λ

Данная формула есть не что иное, как полученная эксперементально Комптоном формула  Δλ=2К*sinθ/2. Подстановка значения h, m0 и c даёт К=h/m0c=0.02426A.

  Давление света.

Мысль о том, что свет при встрече с телами должен оказывать на них давление, была высказана ещё Кеплером.

Давление света вытекает из электромагнитной теории света. Положим, что плоская световая волна падает нормально на поверхность металла, совпадающей с плоскостью чертежа.

Электрический и магнитный векторы очевидно будут располагаться  в плоскости поверхности, на которую падает свет. Перемещаясь под действием электрического вектора против Е, свободные электроны образуют ток плотностью J. Со стороны магнитного вектора светового поля согласно закону Ампера действует сила FA, направленная внутрь металла перпендикулярно поверхности. Сила, дествующая на единицу площади поверхности, составляет световое давление.

Исходя из электромагнитной теории, Максвелл вычислил величину давления P, оказываемого плоской электромагнитной волной на лежащее на её пути тело:  P=ϖ(1+R)*cos i,

Где ϖ-объёмная плотность энергии поля, R-коэфициент отражения, i-угол падения волны на тело.

Опыты Лебедева.

Высокое искусство эксперементирования русского учёного Лебедева позволило ему с помощью созданной им уникальной установки в1898 году измерить давление света.

Свет, исходящий от источника S , пройдя через систему линз, попадает на поверхность зеркала Z1. Отражённый  от Z1 свет с помощью зеркал Z2-Z3 направляется на поверхность крыльев, находящихся внутри баллона. Крылья, расположенные симметрично относительно иси подвеса, являются составной частью крутильных весов, с помощью которых определяется сила давления света. Перемещая вправо систему зеркал Z1-Z2 , можно направить луч в баллон с левой стороны. Термоэлемент Т служит для измерения энергии падающего света. Под действием света малоинертные подвески поворачиваются  на определённый угол вокруг нити подвеса. Зная модуль кручения нити, можно определить силу действия света на подвески, а следовательно и давление света. Результаты эксперимента позволили сделать следующие выводы:

1.Давление света на зеркальную поверхность в два раза больше, чем на поверхность, полностью поглощающую свет: (R=1) Рзерк=2ϖcosi (R=0) Рзерк=ϖcosi

2.Величина давления света с точностью до 20% соответствует значению, полученному теоретически Максвеллом.

 Давление света с точки зрения квантовой теории света.

Направим нормально на плоскую поверхность монохроматический световой поток с частотой ν.

Энергия светового потока, содержащего Ν фотонов, приходящихся на 1 см2 поверхности за 1 с (плотнсти потока): Ν=Φ/hν.

Ввиду того, что каждый падающий на данную поверхностьфотон обладает импульсом hν/с, импульсы, сообщаемые в единицу времени абсолютно поглощающей и абсолютно отражающей единичным поверхностям равны: Pпогл=N*hν/c=Ф/c Pотр=2Ν*hν/c=2Ф/с