Фотоэффект. Фотоны

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году германским физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально изучен А. Г. Столетовым. Более полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (Д. Томсон, 1897 г.), и стало ясно, что фотоэффект (либо поточнее – наружный фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света. Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 8.2.1.

Схема экспериментальной установки 1
Набросок 8.2.1. Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта.

В опытах употреблялся стеклянный вакуумный баллон с 2-мя металлическими электродами, поверхность которых была кропотливо очищена. К электродам прикладывалось некое напряжение U, полярность которого можно было изменять при помощи двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некой длины волны λ, и при постоянном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения. На рис. 8.2.2 изображены обычные кривые таковой зависимости, приобретенные при 2-ух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.

Зависимость силы фототока 2
Набросок 8.2.2. Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 – токи насыщения, Uз – запирающий потенциал.

Кривые демонстрируют, что при довольно огромных положительных напряжениях на аноде A фототок добивается насыщения, потому что все электроны, вырванные светом из катода, добиваются анода. Кропотливые измерения проявили, что ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света. Когда напряжение на аноде негативно, электронное поле меж катодом и анодом тормозит электроны. Анода могут достигнуть только те электроны, кинетическая энергия которых превосходит |eU|. Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекращается. Измеряя Uз, можно найти наивысшую кинетическую энергию фотоэлектронов:

 Фотоэффект. Фотоны

  К удивлению ученых, величина Uз оказалась не зависящей от интенсивности падающего светового потока. Кропотливые измерения проявили, что запирающий потенциал линейно растет с повышением частоты ν света (рис. 8.2.3).

Зависимость запирающего потенциала 3
Набросок 8.2.3. Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света.

Бессчетными экспериментаторами были установлены последующие главные закономерности фотоэффекта:

  1. Наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с повышением частоты света ν и не находится в зависимости от его интенсивности.
  2. Для каждого вещества существует так именуемая красноватая граница фотоэффекта, другими словами меньшая частота νmin, при которой еще вероятен наружный фотоэффект.
  3. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.
  4. Фотоэффект фактически безынерционен, фототок появляется одномоментно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.

Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям традиционной физики о содействии света с веществом. Согласно волновым представлениям электрон при содействии с электрической световой волной был должен бы равномерно копить энергию, и потребовалось бы существенное время, зависящее от интенсивности света, чтоб электрон накопил довольно энергии для того, чтоб вылететь из катода. Как демонстрируют расчеты, это время должно было бы исчисляться минутками либо часами. Но, опыт указывает, что фотоэлектроны возникают немедля после начала освещения катода.

В этой модели нереально было также осознать существование красноватой границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла разъяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока, пропорциональность наибольшей кинетической энергии частоте света. Таким макаром, электрическая теория света оказалась неспособной разъяснить эти закономерности. Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое разъяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на базе догадки М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, при этом энергия каждой таковой порции определяется формулой E = hν, где h – неизменная Планка Эйнштейн сделал последующий шаг в развитии квантовых представлений. Он сделал вывод, что и свет имеет прерывающуюся дискретную структуру.

Электрическая волна состоит из отдельных порций – квантов, потом нареченных фотонами. При содействии с веществом фотон полностью передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Не считая того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от параметров материала катода. Большая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

 Фотоэффект. Фотоны

  Эту формулу принято именовать уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. При помощи уравнения Эйнштейна можно разъяснить все закономерности наружного фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость наибольшей кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красноватой границы, безынерционность фотоэффекта. Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока. Как надо из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν (рис. 8.2.3), равен отношению неизменной Планка h к заряду электрона e:

 Фотоэффект. Фотоны

  Это позволяет экспериментально найти значение неизменной Планка. Такие измерения были выполнены Р. Милликеном (1914 г.) и дали не плохое согласие со значением, отысканным Планком. Эти измерения позволили также найти работу выхода A:

 Фотоэффект. Фотоны

где c – скорость света, λкр – длина волны, соответственная красноватой границе фотоэффекта. Практически у всех металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10–19 Дж). В квантовой физике нередко употребляется электрон-вольт в качестве энергетической единицы измерения. Значение неизменной Планка, выраженное в электрон–вольтах за секунду, равно

h = 4,136·10–15 эВ·с.

  Посреди металлов меньшей работой выхода владеют щелочные металлы. К примеру, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красноватой границе фотоэффекта λкр ≈ 680 нм. Потому соединения щелочных металлов употребляют для сотворения катодов в фотоэлементах, созданных для регистрации видимого света. Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно сгустку частиц, получивших заглавие фотонов либо световых квантов. Энергия фотонов равна

E = hν.

  Фотон движется в вакууме со скоростью c. Фотон не имеет массы, m = 0. Из общего соотношения специальной теории относительности, связывающего энергию, импульс и массу хоть какой частички,

E2 = m2c4 + p2c2,

следует, что фотон обладает импульсом

 Фотоэффект. Фотоны

  Таким макаром, учение о свете, совершив виток продолжительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частичках – корпускулах. Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. Сначала XX века стало ясно, что свет обладает двоякой природой. При распространении света появляются его волновые характеристики (интерференция, дифракция, поляризация), а при содействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двоякая природа света получила заглавие корпускулярно-волнового дуализма. Позднее двоякая природа была открыта у электронов и других простых частиц. Традиционная физика не может дать приятной модели сочетания волновых и корпускулярных параметров у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы традиционной механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения полностью темного тела, развитая М. Планком , и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.