Фотоэффект

Фотоэффектом называется испускание электронов с поверхности металла под действием света.

В1888 г. Г. Герц обнаружил, что при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.

Фотоэффект можно наблюдать в следующих случаях:

1.Цинковую пластину, соединенную с электроскопом, заряжают отрицательно и облучают ультрафиолетовым светом. Она быстро разряжается. Если же ее зарядить положительно, го заряд пластины не изменится.

2.Ультрафиолетовые лучи, проходящие через сетчатый положительный электрод, попадаютна отрицательно заряженную цинковую пластину и выбивают из нее электроны,которые устремляются к сетке, создавая фототок, регистрируемый чувствительным гальванометром.

Законы фотоэффекта

Количественные закономерности фотоэффекта (1888–1889) были установлены А. Г. Столетовым. Он использовал вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами.

Первый закон

Исследуя зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами при постоянном световом потоке на один из них, он установил первый закон фотоэффекта.

Фототок насыщения пропор­ционален световому потоку, падающему на металл: I=ν∙Φ, гдеν– коэффициент пропорциональ­ности, называемый фоточувствительностью вещества.

Следовательно, число электронов, выбиваемых за 1 с из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

Второй закон

Изменяя условия освещения на этой же установке, А. Г. Столетов открыл второй закон фотоэффекта: кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.

Если к освещенному электроду подключить положительный полюс батареи, то при некотором напряжении фототок прекратится. Это явление не зависит от величины светового потока.

Используя закон сохранения энергии , гдеe– заряд;m – масса электрона;v– скорость электрона;U_з– запирающее напряжение, устанавливают, что если частоту лучей, которыми облучают электрод, увеличить, тоU_з2>U_з1, поэтомуE_к2>E_к1. Следовательно,ν₂> ν₁.

Таким образом,кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света.

Третий закон

Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. существует наименьшая частота ν_min, при которой еще возможен фотоэффект. Приν <ν_minни при какой интенсивности волны падающего света на фотокатод фотоэффект не произойдет.

Четвертый закон

Фотоэффект практически безынерционен (t = 10⁻⁹с).

Теория фотоэффекта

А.Эйнштейн, развив идею М.Планка (1905), покачал, что законы фотоэффекта могут быть объяснены при помощи квантовой теории.

Явление фотоэффекта экспериментально доказывает: свет имеет прерывистую структуру.

Излученная порция Е=hνсохраняет свою индивидуальность и поглощается веществом только целиком.

На основании закона сохранения энергии .

Так как ,, , .

ОК-28

Фотон и его свойства

Фотон – материальная, электрически нейтральная частица.

Энергия фотонаE=hνилиЕ=ħω, так как, ω = 2πν. Еслиh= 6,63∙10⁻³⁴Дж∙с, тоħ ≈ 1,55∙10⁻³⁴Дж∙с.

Согласно теории относительности E=mc²=hν, отсюда, гдеm– масса фотона, эквивалентная энергии.

Импульс, так какc=νλ. Импульс фотона направлен по световому пучку.

Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

Основные свойства фотона

1.Является частицей электромагнитного поля.

2.Движется со скоростью света.

3.Существует только в движении.

4.Остановить фотон нельзя: он либо движется сv=с, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Эффект Комптона (1923)

А.Комптон подтвердил квантовую теорию света. Взаимодействие между фотоном и связанным в атоме электроном:

1.С точки зрения волновой теории световые волны должны рассеиваться на малых частицах:

ν_рас.=ν_пад, что опытом не подтверждается.

2.Фотоэффект – полное поглощение фотона.

3. При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А.Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны (λ) рассеянного излучения по сравнению с длиной волны (λ) падающего излучения. Чем больше φ, тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты ν (увеличение λ). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов А.Комптона можно объяснить: фотон частотой ν обладает энергией E = hν, массой и импульсом.

Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон-электрон: hν +m₀c² = hν' +mc²,,где m₀c² – энергия неподвижною электрона; hν – энергия фотона до столкновения; hν' – энергия фотона после cтолкновенияс фотоном; и – импульсы фотона до и после столкновения;mv– импульсы электрона посте столкновения с фотоном.

Решение уравнений для энергии и импульса дает формулу для изменения длины волны при рассеянии фотона на элек гронах: , где– комптоновская длина волны.