2 Фотоэффект и его применение

Фотоэффектом (внешним) называется явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Он был открыт Герцем в 1887 г. и исследован Столетовым в металлах. Электрическая схема для наблюдения внешнего фотоэффекта приведена на рисунке 25. Два электрода (катод и анод) помещены в вакуум, катод освещается светом. Потенциалы катода и анода можно было изменять по величине и знаку.

Рисунок 25 – Электрическая схема опыта Столетова.

Фототок измеряется микроамперметром, напряжение между электродами измеряется вольтметром.

Столетов исследовал вольт – амперную характеристику фотоэффекта (зависимость фототока от напряжения между электродами, рисунок 26).

U₀ 0

Рисунок 26 - Вольт – амперная характеристика вакуумного фотоэлемента

На основе исследований Столетов сформулировал три закона:

1 Фототок насыщения пропорционален величине падающего светового потока.

2 Скорость вылетевших фотоэлектронов зависит от частоты падающего света и материала фотокатода и не зависит от интенсивности падающего светового потока.

3 Для каждого материала фотокатода существует красная граница фотоэффекта − наименьшая частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается.

Классическая ф изика смогла объяснить только первый из законов. Полное объяснение фотоэффекта дал Эйнштейн в 1915году, развив идеи Планка о квантовом характере излучения. Согласно Эйнштейну свет не только испускается, но и поглощается отдельными квантами с энергией Е=h. Уравнение Эйнштейна представляет собой закон сохранения энергии для элементарного акта фотоэффекта. Энергия кванта света, падающего на поверхность металла, расходуется на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии:

h = А_вых + , (14.5)

где А_вых – работа выхода электрона из металла, m и V_max – масса и максимальная скорость фотоэлектронов.

Работой выхода электронов из металла называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он сумел вылететь из металла. Работа выхода редко превышает несколько электронвольт, поэтому при больших энергиях фотона работой выхода можно пренебречь.

Существование красной границы может быть объяснено только с квантовых позиций. Фотоэффект наблюдается том случае, когда энергия падающего кванта света не менее работы выхода электрона из металла.

 _кр= А _вых / h ;  _кр= hc / A _вых (14.6)

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в науке и технике. Практически невозможно указать отрасли производства, где не использовались бы фотоэлементы, преобразующие энергию излучения в электрическую. Различные виды фотоэффекта используются в производстве для контроля, управления и автоматизации различных процессов, в технике звукового кино, в системах связи и т.д. Студентам предлагается разобраться в этом вопросе самостоятельно.

3 Давление света. Фотоны

Согласно идеям квантовой физики свет испускается, распространяется и поглощается дискретными порциями (квантами). Эти порции электромагнитного излучения называются фотонами.

Энергия, масса и импульс фотона зависят от его частоты и выражаются следующими соотношениями

Е = h, m = h /c, p = h /c. (14.7)

Фотон представляет собой элементарную частицу, которая в любой системе отсчета движется со скоростью света и имеет массу покоя, равную нулю.

Поскольку фотоны обладают импульсом, свет, падая на любую поверхность, оказывает на него давление. Рассчитаем с точки зрения квантовой теории световое давление, оказываемое на поверхность тела потоком монохроматического излучения с частотой ν, падающего перпендикулярно поверхности. Если в единицу времени на единицу площади поверхности тела падает N фотонов, то при коэффициенте отражения ρ света от поверхности тела ρN фотонов отразится, а (1−ρ)N фотонов поглотится. Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс , а каждый отраженный передает импульс . Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности за одну секунду все N фотонов:

.

, есть энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени, т.е. энергетическая освещенность поверхности, — объемная плотность энергии излучения. Поэтому давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность,

(14.8)

Формула (14.9), выведенная на основе квантовых представлений, совпадает с выражением, получаемым из электромагнитной (волновой) теории Максвелла. Из этой формулы, в частности, следует, что давление света на зеркальную поверхность (ρ=1) вдвое больше, чем на зачерненную (ρ=0).

Давление света было экспериментально определено в опытах П.Н. Лебедева.