Вопрос 5. Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотона.

Свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона  . Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии: . Фотон – элементарная частица, которая всегда (в любой среде) движется со скоростью с и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно масса фотона отличается от массы таких эл-тарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя. Импульс фотона  получим, если в общей ф-ле теории относительности  (Е – полная энергия) положить массу покоя фотона  = 0:  . Следовательно, фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом.

Вопрос 6. Однофотонный и многофотонный фотоэффект.

А. Эйнштейн в 1905г. показал, что закономерности фотоэффекта можно объяснить на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта.

Согласно Эйнштейну, свет частотой  не только испускается, как предполагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых .

Квант электромагнитного излучения получил название фотона.

Т.к. энергию фотона можно выразить как

=тс²,

h= тс² – импульс фотона.

1. Однофотонный фотоэффект – это фотоэффект, при котором электрон получает энергию от одного фотона. Согласно Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном.

Энергия падающего фотона h расходуется на совершение электроном работы выходаА из металла и на сообщение фотоэлектрону кинетической энергии.

Если электрон освобождается светом не у самой поверхности, а на некоторой глубине, то часть энергии может быть потеряна вследствие случайных столкновений в веществе, остаток энергии образует Е_кин фотоэлектрона.

По закону сохранения энергии

. (2)

Выражение (2) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Фотоэффект и работа выходаАв сильной степени зависят от состояния поверхности металла (окислов, адсорбированных веществ).

Только в 1916г. Милликен создал прибор, в котором исследуемое вещество подвергалось чистке в вакууме, после чего измерялась работа выхода и исследовалась зависимость Е_кин=f() (путем измерения U_з).

Результаты оказались в полном согласии с уравнением Эйнштейна.

Милликен определил значение h, которое совпало с её значениями, найденными другими методами.

2. Многофотонный фотоэффект (нелинейный).

Если интенсивность света очень большая (лазерные пучки), возможен многофотонный (нелинейный) фотоэффект, при котором электрон получает энергию не от одного, а от N (N=27) фотонов

Красная граница смещается в сторону более длинных волн.

Ток насыщения нелинейно зависит от Ф

I_нФ^N.

Фотоэффект широко используется в науке и технике для:

1. регистрации и измерения световых потоков;

2. непосредственного преобразования энергии света в эл. энергию;

3. преобразования световых сигналов в электрические.

Устройства, действие которых основано на использовании фотоэффекта, называются фотоэлементами.

1. Вакуумный фотоэлемент – представляет собой эвакуированный стеклянный баллон, часть внутренней поверхности которого покрыта слоем металла (фотокатод). Анод – металлическое кольцо или сетка.

2. Для увеличения чувствительности используют фотоэлементы наполненные инертным газом, обычно аргоном при р=0,01-0,1мм.рт.ст.

3. Для усиления сигнала применяются электронные умножители, использующие явление вторичной электронной эмиссии.

4. Полупроводниковые фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления) – для обнаружения и измерения инфракрасного и других излучений. Чувствительность – гораздо большая.

Основной недостаток – большая инерционность