Тема11.2. Квантові властивості світла. Фотоелектричний ефект. (2 год.)

Мета: познайомити студентів з квантовими властивостями світла, створити умови для сприйняття, осмислення і запам'ятовування понять: квантова природа світла, гіпотеза Планка; зовнішній фотоефект; рівняння Ейнштейна для фотоефекту; сприяти розвитку: пам'яті, логічного мислення ; розвивати уважність, активність, вміння виділяти головне, коротко, швидко і чітко викладати свої думки.

План.

1. Гіпотеза Планка.

2. Фотони.

3. Фотоефект.

4. Рівняння фотоефекту.

Вивчення нового матеріалу.

.Квантові властивості світла.

Гіпотеза Планка. Вам уже відомо, що світло – це електромагнітні хвилі. Джерелом електромагнітних хвиль є електричний заряд, що прискорено рухається. За теорією Максвелла випромінювання видимого світла нагрітими тілами можна пояснити коливальним рухом електронів в атомах речовини. Але теорія Максвелла не дає пояснення розподілу енергії у спектрі випромінювання розжареного тіла. Саме розв’язання цієї проблеми і дало поштовх для створення квантової фізики.

На рисунку 1 зображені експериментально отримані криві розподілу енергії у спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла ( модель фізики – тіло, яке за будь-якої температури поглинає всю енергію спадаючого на нього світла).

На графіках чітко проглядаються максимуми енергій для різних температур нагрітого тіла. Саме цих максимумів не повинно бути за теорією Максвелла, раз випромінювання відбувається суцільним потоком.

Вихід з критичної ситуації був запропонований у 1900 році німецьким фізиком Максом Планком. Він припустив, що атоми нагрітих тіл випромінюють світло окремими порціями, які він назвав квантами. Енергія кванта пропорційна частоті випромінювання:

Е = hν (1)

Коефіцієнт пропорційності h отримав назву сталої Планка. ν – частота світла. Е = hc/λ.

На основі цієї ідеї План вивів закон розподілу енергії в спектрі нагрітого тіла, який добре узгоджувався з експериментальними даними. Приблизне значення сталої Планка дорівнює h = 6,63 .10^-34 Дж.с.

Іноді використовують так звану приведену сталу Планка:

ħ = h/2π = 1,05.10^-34Дж.с.

Формула (1) – це друга з простих значних формул фізики ( перша – формула Ейнштейна, що зв’язує масу спокою тіла та його енергію Е = mc²). Після відкриття Планка почала розвиватися квантова фізика.

Фотони. Хвильові та квантові властивості світла не можна протиставляти. Властивість безперервності, характерну для електромагнітного поля світлової хвилі, не виключає властивості дискретності, характерної для квантів світла – фотонів.

Квант світла – це мінімальна порція енергії, локалізована у частинці, яку називають фотоном.

Поняття про фотон було введено А.Ейнштейном, коли він давав пояснення законам фотоефекту, механізму люмінесценції.

Фотон розглядають як елементарну частинку. Але на відміну від частинок речовини, фотони не мають маси спокою, тобто вони не існують у стані спокою і при народженні ( в момент випромінювання ) одразу мають швидкість с.

Згідно з теорією відносності, енергія пов’язана з масою співвідношенням Е = mc². Енергія фотона дорівнює hν, отже його маса під час руху дорівнює:

m= hν/c²

Знаючи масу та швидкість фотона, визначають його імпульс:

p = mc = hν/c = h/λ

Імпульс фотона спрямований уздовж світлового променя. Чим більша частота, тим більші енергія та імпульс фотона, тим чіткіше виявляються корпускулярні властивості світла.

Фотоефект. Фотоефект був відкритий у 1887 році Г.Герцем, який встановив, що довжина іскри у розряднику збільшується при потраплянні на його металеві електроди світла від іншого розрядника. Перші дослідження фотоефекту були здійснені російським вченим О.Г.Столєтовим (1888р.), Ф.Ленард та Дж.Томсон (1889р.) довели, що під час фотоефекту випромінюються електрони.

Зовнішній фотоефект – випускання електронів речовиною при поглинанні нею квантів електромагнітного випромінювання (фотонів).

О.Г. Столєтов створив установку, яка надавала можливість отримати електричний струм (фотострум) та дослідити його залежність від інтенсивності та довжини хвилі (рис.2). У скляний балон, з якого викачане повітря, вміщені два електрода – анод А та катод К. Крізь кварцове скло (прозоре для ультрафіолетового випромінювання) в балоні на один з електродів падає світло. На електроди подається електрична напруга, яку можна змінювати за допомогою потенціометра та вимірювати вольтметром. Якщо освітлювати негативно заряджений електрод К, то з нього будуть вириватися електрони. Під дією електричного поля вони будуть напрямлено рухатися та створювати струм (фотострум).

Рис. 2

При дослідженні фотоефекту Столєтовим були встановлені такі закономірності зовнішнього фотоефекту:

1. Кількість електронів, що вириваються світлом з поверхні металу за 1 с, прямо пропорційна енергії світлової хвилі, яка поглинається за цей час.

2. Швидкість електронів, що вилітають з тіла при фотоефекті, визначається частотою ν світла та не залежить від його інтенсивності.

3. Для кожної речовини існує гранична найменша частота ν_min (червона межа фотоефекту), при якій фотоефект в ній можливий. Випромінювання з частотою, меншою за червону межу, не викликає фотоефекта.

Другий та третій закони фотоефекту неможливо пояснити на основі класичної електромагнітної теорії. Вони мають виключно квантовий характер.

Фотоефект є експериментальним обґрунтуванням квантової теорії.

Рівняння фотоефекту. У 1905 році А.Ейнштейн показав, що закони фотоефекту можна пояснити тільки виходячи з квантових уявлень про природу світла.

Квант енергії фотона, який поглинається в процесі фотоефекта, витрачається на виконання роботи виходу електрона з металу та на здобуття ним кінетичної енергії.

Математично це називають рівнянням для зовнішнього фотоефекту:

hν = A_вих + mʋ²/2

Робота виходу залежить від роду металу (табличне значення).

Фактично рівняння Ейнштейна є законом збереження енергії, застосованого для фотоефекту.

Вам відомо, що при освітленні напівпровідників їх електричний опір зменшується. Дослідження показали, що подібні процеси можуть відбуватися не тільки у напівпровідниках. Це явище отримало назву внутрішнього фотоефекту.

Внутрішній фотоефект – це перерозподіл електронів за енергетичним станом в результаті поглинання ними електромагнітного випромінювання.

Застосування фотоефекту. Зовнішній фотоефект застосовується у вакуумних фотоелементах. При освітленні катода з нього вибиваються електрони, і в електричному колі виникає струм. Такі фотоелементи широко застосовуються в автоматизації різних процесів. Пристрої з застосуванням фотоелементів « слідкують» за освітленістю вулиць, працюють «контролерами» в метро, рахують готову продукцію тощо.

Пристрої, дія яких заснована на використанні фотопровідності напівпровідників, називаються фото резисторами.

Сонячні батареї – це фотоелементи з внутрішнім фотоефектом.

Запитання для самоперевірки:

1. Чому за допомогою теорії Максвелла не вдалося пояснити експериментальні дані з випромінювання світла нагрітими тілами?

2. У чому полягає гіпотеза Планка?

3. Від чого залежить енергія кванта світла?

4. Чому дорівнює стала Планка?

5. Що таке фотон?

6. Маса, енергія та імпульс фотона.

7. Зовнішній фотоефект.

8. Закони зовнішнього фотоефекту.

9. Рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

10. Внутрішній фотоефект.

11. Застосування фотоефекту.