4. Что такое фотоны, и почему фотоэффект относят к типично кванто­вым оптическим явлениям?

Для объяснения выявленных в опыте закономерностей фотоэффекта А. Эйнштейн развил гипотезу М. Планка о квантах света, предположив, что свет не только излучается в виде дискретных энергетических порций, квантов, энергия Е которых пропорциональна частоте Е = h, но и поглощается веществом также этими неделимыми порциями света, названными впоследствии фотонами. Фотоэффект является квантовооптическим явлением потому, что в его основе лежит взаимодействие элементарных частиц – микрообъектов (фотона и электрона), адекватно описать которое классическая волновая теория света оказалась неспособной.

Как с позиций уравнения Эйнштейна для фотоэффекта объясняются его основные закономерности?

Эйнштейн записал основное уравнение однофотонного фотоэффекта, представляющее собой фактически закон сохранения энергии при взаимодействии фотона со связанным в веществе электроном. Согласно этому уравнению, энергия фотона расходуется на совершение работы А_вых по вырыванию электрона из металла и сообщение ему кинетической энергии Е_к, то есть:

h = А_вых + Е_{к макс} За работу А_вых в уравнении Эйнштейна принимают работу по вырыванию наименее связанных в веществе электронов, которые приобретают при вылете наибольшую скорость и кинетическую энергию Е_{к макс}.

Из уравнения Эйнштейна сразу вытекает наличие красной границы фотоэффекта, т. е. существование такой граничной частоты _о, при которой начинается фотоэффект и ниже которой энергии фотона не хватит на совершение работы выхода электрона, т.е. на преодоление сил связи его с веществом:

h_о = А_вых  _о = А_вых/h. _о и А_вых являются табличными характеристиками вещества.

Задерживающее напряжение определяется из условия обращения фототока в ноль. При этом тормозящее электрическое поле между катодом и анодом совершает работу А, равную максимальной кинетической энергии электронов А = q_еU_з = Е_{к макс}. Подставляя вместо Е_{к макс} в уравнение Эйнштейна q_еU_з, имеем: h = А_вых + q_еU_з, откуда U_з = (h - А_вых­)/q_е  U_з  . Таким образом, из уравнения Эйнштейна логически вытекает пропорциональная зависимость задерживающего напряжения U_з (а с ним и максимальных кинетической энергии Е_{к макс} и скорости фотоэлектронов _{к макс}) частоте  света при фотоэффекте и независимость U_з от интенсивности света.

Интенсивность света в квантовом подходе оказывается пропорциональной числу фотонов, ежесекундно, падающих на единицу площади. Отсюда становится понятной пропорциональность силы фототока насыщения световому потоку⁶ Ф, облучающему материал. При фототоке насыщения все вырванные из материала электроны достигают противоположного электрода. В стадии до насыщения часть вылетевших из материала электронов, обладающих скоростью, меньше максимальной, возвращалась обратно под воздействием отталкивающего электрического поля ранее вылетевших электронов и притягивающего действия, положительно заряжающегося при отдаче электронов катода.

С увеличением интенсивности света увеличивается число фотонов, ежесекундно бомбардирующих катод и, соответственно, число вырываемых ими электронов, которые в стадии насыщения все достигают анода, обусловливая возрастание силы тока насыщения.

Безынерционность фотоэффекта в квантовом подходе тем и объясняется, что взаимодействие электронов со светом носит не растянутый во времени, как с волной, а элементарный, мгновенный характер взаимодействия двух частиц – частицы вещества и частицы света (электромагнитного поля) – фотона.

5. Какие физические идеи и закономерности лежат в основе метода исследования» используемого в данной работе?

6. Дайте объяснение полученным в работе результатам и зависимостям?

Работа № 48 СПЕКТРЫ АТОМАРНЫХ ГАЗОВ

1. Каков механизм излучения света атомами и характер спектра излучения?

Под действием внешнего электромагнитного излучения (света) атом может совершить вынужденный переход "вверх" - в возбужденное состояние с повышенной, энергией. При этом происходит поглощение атомом кванта падающего на него света, частота  которого должна отвечать условию (правилу) частот Бора: , где E_m и E_n - энергии конечного и начального состояний атома. Вероятность подобных вынужденных переходов атома "вверх" (по шкале энергии) пропорциональна интенсивности воздействующего на него излучения, то есть числу фотонов в нем.

Возбужденное состояние атома с повышенной энергией является нестабильным, и спустя довольно малое время атом избавляется от избытка ("груза") энергии, переходя в энергетически более "выгодное" (более низкое) состояние. Такой переход "вниз" обычно сопровождается излучением кванта света, фотона.

Наблюдения спектров¹ излучения (с помощью призменных или дифракционных спектроскопов) показали, что в атомарном, газообразном состоянии вещество обладает дискретным (линейчатым) спектром, как излучения, так и поглоще­ния. Этот спектр является своего рода паспортом соответствующего химичес­кого элемента, то есть он индивидуален, неповторим для атома каждого химического элемента. Линии поглощения расположены в тех же мес­тах спектра, в которых находятся линии излучения. Дискретный характер спектра атомов обусловлен тем, что энергия атома квантуется, то есть, принимает лишь определенные, квантованные значения.