§3. Постулат Эйнштейна о фотонах

Как показывает опыт, если металл облучать светом, то из него вылетают электроны. Это явление было названо внешним фотоэффектом(ФЭ).

Объяснить ФЭ с точки зрения волновой природы света не удается. Для объяснения ФЭ Эйнштейн предположил, что свет можно рассматривать как поток частиц(корпускул), которые он назвал квантами светаили Фотонами. Энергия фотона по предположению Эйнштейна равна:

, (1)

где h=6,62·10⁻³⁴Дж·с—постоянная Планка,νиλчастота и длина волны, связанные соотношениемλν=с.Используя релятивистские соотношения для частиц сm₀=0,получим для импульса фотона:

(2)

и его релятивистской массы

(3)

Формулы (1)–(3)выражают связь между корпускулярными (m, р, ε) и волновыми (ν,λ)характеристиками фотона.

Формулы для энергии εи импульсаpфотона удобно записывать в симметричной форме:

, , (4)

где — постоянная Планка,— волновой вектор, длина которогоназывается волновым числом.

§4. Волновые и корпускулярные свойства света и микрочастиц. Корпускулярно-волновой дуализм

Существует ряд явлений (интерференция, дифракция, дисперсия, поляризация, отражение и преломление света), которые объясняются в рамках волновой природы света. Кроме того, существует ряд явлений (фотоэффект, эффект Комптона, давление света), которые не могут быть объяснены или их объяснение имеет слишком сложный характер (давление света) в рамках волновых представлений, но эти явления находят объяснение в рамках ги­потезы Эйнштейна о корпускулярной природе света.

Отсюда следует, что в одних явлениях свет ведет себя как волны, а в других —как корпускулы. Эта особенность поведения света получила названиекорпускулярно-волнового дуализма(двойственности).

Как показали дальнейшие исследования, свойством корпускулярно-волнового дуализма обладают не только ЭМ-волны (свет), но и все микрочастицы —электроны, нейтроны, протоны, для которых первичны корпускулярные свойства, но имеют место и волновые свойства — интерференция, дифракция и т.п.

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм является общим свойством всех микрочастиц (микрообъектов) в природе.

§5. Внешний и внутренний фотоэффект

Внешний фотоэффект—это явление выбивания электронов из атомов, молекул или твердых тел и жидкостей под действием света. В случае ато­мов и молекул внешний Фотоэффект обычно называютфотоионизацией.

Если имеет место поглощение света атомами или молекулами (без выбивания электронов), то это явление называют фотопоглощением. Поглощение света в случае твердых тел называютвнутренним фотоэффектом. Он проявляется в увеличении электропроводности полупроводников при их облучении светом.

§6. Опытные законы внешнего фотоэффекта

Внешний фотоэффект (ФЭ) был открыт случайно Генрихом Герцем(1888) в его опытах по обнаружению ЭМ-волн, предсказанных теорией Максвела. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода искрового разрядника УФ-лучами, разряд происходит при меньшем напряжении между электродами.

В 1888-1889гг. А.Г. Столетов провел систематическое исследование ФЭ на установке, представлявшей собой конденсатор с сеточной (анод) и сплошной (катод) пластинами. При освещениии сплошной пластнины светом в цепи возникал электрический ток, регистрируемый гальванометром G. На основании опытов Столетов пришел к следую­щим выводам относительно ФЭ:

1. Наибольшее действие оказывают УФ-лучи.

2.Сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины.

3. Испуcкаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

В 1898г. (через 10лет после опытов Столетова) Ленард и Дж. Дж. Томпсон провели более тщательное исследование ФЭ. Установка, использованная Ленардом, представляла собой откачанный баллон с окошком для пропускания световых лучей, изготовленным из кварца. Кварц в отличие от стекла пропускает УФ-лучи. Свет через окошко падал на катод, изготовленный из исследуемого материала.

На установке были получены: вольтамперная характеристика ФЭ зависимость фототока Iот напряженияUмежду анодом и катодом) и зависимость задерживающей разности потенциаловU_з,при которой прекращается ФЭ, от частоты падающего светаν(см.рис.)

При исследовании ФЭ были выявлены следующие закономерности.

1.При увеличении Uмежду А и К фототок быстро достигает максимального значения I_н,называемоготоком насыщения.

2.При увеличении освещенностиЕкатода фототок увеличивается, при этомI_н=kE.

3.Фототок имеет место приU = 0.

4.Для прекращения ФЭ надо приложить задерживающую разность потенциалов илизадерживающее(запирающее) напряжениеU_з,которое не зависит от освещенностиЕкатода, то есть независмо от освещенности катода все ВАХ начинаются при одном и том же значенииU_з.

5.При освещении катода светом разной частоты задерживающая разность потенциаловU_зувеличивается линейно с частотой светаν(см.график)

6.Существует минимальная частота светаν₀,при которой начинается ФЭ. Эту частоту называюткрасной границей ФЭ. Для разных веществ красная граница ФЭ различна.

Как показал опыт, частицы, вылетающие из катода, являются отрицательно заряженными, а их удельный заряд (q/m) совпадает с удельным зарядом электрона.