Поглощение света в веществе

По мере распространения света в веществе, вследствие его взаимодействия с молекулами вещества, интенсивность света, согласно закону Бугера, постепенно уменьшается: J(x) = J_o×exp(-k_l×x), где k_l - коэффициент поглощения вещества на данной l. При k_l> 0 - поглощение, k_l< 0 - усиление, k_l= 0 – вещество прозрачно для излучения с данной l.

Физический смысл k_lсостоит в том, что величина 1/k_l равна расстоянию в веществе, на котором

.

интенсивность света J уменьшается в раз. Действительно, пусть , тогда:

. Величину а = называют глубиной проникновения света в вещество. Для металлов: м^-1, откуда а= 1 мкм; для стекла м^-1 Þ а= 1 м; для воздуха м^-1 Þ а= 1 км.

В общем случае, величина kзависит от l. Так, например, вода и водяной пар сильно поглощают инфракрасное (ИК) излучение. Оконное стекло хорошо пропускает видимый свет, но значительно ослабляет ИК излучение и почти полностью поглощает ультрафиолетовое излучение с мкм (поэтому при закрытом окне в комнате не загоришь).

Избирательное поглощение света лежит в основе парникового эффекта, состоящего в накоплении энергии солнечного света в атмосфере планеты, что приводит к неуклонному повышению её температуры. Причина этого явления заключается в селективности поглощения электромагнитных волн оптического диапазона земной атмосферой (точнее, парниковыми газами - СО₂, СО и Н₂О): для видимого излучения она прозрачна, для ультрафиолетового и инфракрасного – нет. Атмосфера Земли (или стекло парника) хорошо пропускает видимое излучение, которое нагревает грунт. Нагретый видимым светом грунт испускает тепловое инфракрасное излучение, которое поглощается атмосферой (или стеклом). Таким образом, световая энергия попадает в ловушку, и воздух (в атмосфере или парнике) прогревается. Парниковый эффект может иметь катастрофические последствия для человечества и единственный способ предотвратить катастрофу - уменьшить выброс в атмосферу парниковых газов.

Фотохимические реакции: в результате поглощения света атомы и молекулы вещества переходят в возбуждённые состояния, когда их химическая активность резко повышается.

Фотосинтез - окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой неорганические вещества ( и ) превращаются в органические (углеводы), сопровождаемая выделением газообразного кислорода и накоплением энергии. Без промежуточных звеньев эта реакция может быть записана следующим образом: Þ кДж, где 490 кДЖ - хим. энергия, запасённая в 1 моле СН₂О.

Ежегодно на Земле растения производят млрд. тонн органических веществ, обладающих запасом энергии в кДж.

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Фотоэффект обнаружен в 1887 г. Генрихом Герцем, наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка между двумя электродами ультрафиолетовым излучением.

Дж. Томсон в 1898 г. измерил заряд испускаемых под действием света частиц (по отклонению в электрическом и магнитном полях) и таким образом установил, что под действием света вырываются электроны.

Первые систематизированные исследования фотоэффекта выполнены Александром Григорьевичем Столетовым. Схема установки Столетова приведена на рисунке .

Два электрода (катод Киз исследуемого металла и анод А) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра Rможно изменять не только значение, но и знак подаваемого напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окно), измеряют включённым в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом с различными длинами волн, Столетов установил следующие закономерности: 1) наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение; 2) под действием света вещество теряет только отрицательные заряды; 3) сила тока, возникающего под действием све
та, прямо пропорциональна его интенсивности.

На левом графике приведены три вольт-амперные характеристики вакуумного фотоэлемента при различных освещённостях J катода (частота во всех трёх случаях одинакова). По мере увеличения фототок постепенно возрастает, т.е. всё большее число фотоэлектронов достигает анода. Наклонный участок кривых объясняется тем, что электроны вылетают из катода с различными скоростями и для их доставки на анод эл. полю приходится совершать разную работу А, пропорциональную величине U. Максимальное значение тока - фототок насыщения - определяется значением U, при котором все электроны, испущенные катодом, достигают анода. Из вольт-амперной характеристики видно, что при фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью , а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому некоторые из них могут достигнуть анода без помощи внешнего поля . Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение . При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно, (где m_e и е - масса и заряд электрона) и, измерив задерживающее напряжение , можно определить максимальное значение кинетической энергии и скорости фотоэлектронов: .

При освещении же катода лучами света с различной длиной волны l, но с одинаковой интенсивностью J (правый график на с.195) Столетов получил вольт-амперные характеристики, приведенные слева. Эти характеристики имели различные значения задерживающего напряжения , но одинаковый ток насыщения, достигаемый, правда, при различных разностях потенциалов между анодом и катодом.

Измеряя вольт-амперные характеристики для разнообразных материалов при различных частотах и световых потоках падающего на катод излучения, были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта:

1) закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света;

2) максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ;

3) для данного вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

В рамках классической физики последние два закона фотоэффекта объяснить невозможно. В 1905 г. А. Эйнштейн, основываясь на квантовой теории эл. мгн. поля Планка, разработал фотонную теориюфотоэффекта (см. лекцию №11). С её помощью можно объяснить не только первый, но и последние два закона фотоэффекта. Согласно этой теории, каждый фотон поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (1-й закон фотоэффекта). Энергия падающего фотона ( ) расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии:

. ( )

Соотношение (*) называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Из (*) следует, что при Þ . Откуда видно, что красная граница фотоэффекта зависит лишь от работы выхода Аэлектрона, т.е. от химической природы материала образца и состояния его поверхности (её шероховатости, наличия на ней инородных внедрений и т.п.).

Какова же природа работы выхода фотоэлектронов? То есть, какая сила препятствует выходу свободных электронов из образца? Выделяют две причины необходимости совершения фотоэлектроном работы выхода: 1) надо преодолеть силу кулоновского притяжения со стороны ионов, находящихся в "узлах" кристаллической решётки (внутри образца равнодействующая , а над его поверхностью и направлена внутрь образца); 2) над металлом формируется виртуальный слой (толщиной ) электронов, образуемый вылетающими и опять втягиваемыми внутрь образца свободными электронами металла. Между этим слоем и ионами кристаллической решётки возникает эл. поле, также препятствующее выходу свободных электронов из образца. Для металлов величина (для сравнения, энергия ионизации атома водорода составляет ).

В заключение этой темы отметим, что явление фотоэффекта важно не своими техническими применениями (в кино, в вакуумных фотоэлементах и т.п.), а тем, что оно ²заставило² физиков изменить свой взгляд на природу вещей, в частности – на природу света. Оказалось, что все микро объекты (в том числе: свет и все микрочастицы - электроны, нейтроны, протоны и т.п.) имеют двойственную (корпускулярно-волновую) природу, причём в одних обстоятельствах в большей степени проявляются волновые свойства объектов, в других обстоятельствах – корпускулярные свойства.