4. Квантовая природа света. Квантовая гипотеза Планка. Энергия кванта.

Электромагнитная теория Максвелла не могла объяснить ни устойчивость атома, ни закон распределения энергии в спектрах излучения по длинам волн, ни холодного свечения, ни происхождение линейчатых спектров излучения.

Выход из данного положения был найден Планком, который выдвинул гипотезу, что излучение энергии атомами вещества происходит прерывисто, в виде отдельных квантов (порций).

Планк установил, что энергия квантов пропорциональна частоте излучаемых электромагнитных волн, то есть , где ε – энергия кванта, Дж;

ν – частота колебания, с^-1;

h – постоянная Планка, h=6,62*10^-34Дж с.

Эйнштейн пришел к выводу, что прерывистым, дискретным является не только излучение, но и поглощение черного тела, что характерно для электромагнитных излучений всех тел. Поэтому и свет как один из видов электромагнитного излучения так же испускается и поглощается веществом.

Световые кванты Эйнштейн назвал фотонами. Фотоны излучаются и поглощаются веществом только целиком и не могут делиться на более мелкие частицы.

Свет это поток частиц материи - фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростью с=3*10⁸м/с.

Энергия кванта и согласно теории относительности энергия всегда связана с массой соотношением Е=m c ², следовательно hν= m c ² ,а

Фотон не имеет массы покоя, то есть он не существует в состоянии покоя и при рождении сразу приобретает скорость с.

По известной массе и скорости фотона можно найти его импульс: .

5. Понятие внутреннего и внешнего фотоэффекта.

Фотоэлектрическим эффектом называется явление взаимодействия света с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества.

Для твердых и жидких тел различается внешний и внутренний фотоэффект.

При внешнем фотоэффекте поглощение фотона сопровождается вылетом электронов за пределы тела.

При внутреннем фотоэффекте электроны, вырванные из атомов, молекул или ионов вещества остаются внутри его, но изменяется энергия электронов.

В газах фотоэффект состоит в явлении фотоионизации – вырывании электронов из атомов и молекул газа под действием света.

6. Опыты Столетова.

Внешний фотоэффект обнаруживается опытами по вырыванию электронов с поверхности металлов облученных коротковолновым светом.

Схема опытов Столетова

Анод А – тонкая металлическая сетка. Освещался светом от электрической дуги. Пучок света S попадал на катод К – сплошную цинковую пластину. При этом гальванометр, включенный в цепь обнаруживает ток. Из освещенной отрицательно заряженной цинковой пластины вырывались электроны и электрическая цепь оказывалась замкнутой. Если же сетка А являлась катодом, а цинковая пластина анодом, то ток отсутствовал.

7. Законы внешнего фотоэффекта.

Установка для исследования фотоэффекта (вакуумная лампа с холодным катодом)

Электроны, вырывающие с поверхности тела при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами. Фотоэлектроны, ускоренные электрическим полем между катодом и анодом, создают фотоэлектрический ток (фототок).

Зависимость фототока от напряжения.

I_н – ток насыщения

U_з – задерживающее напряжение

Законы фотоэффекта

1. Сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Задерживающее напряжение U_з зависит от максимальной кинетической энергии, которую имеют вырванные светом электроны.

где m – масса электрона, υ– его скорость, е – заряд.

U_з – задерживающее напряжение

3. Красная граница фотоэффекта. Определяется только материалом электрода и не зависит от интенсивности излучения.

Наибольшая длина волны, при которой еще можно наблюдать фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта для данного вещества.