Вопрос 2. Фотон. Его энергия и импульс.

Фотоэффект. Давление света

Вопрос 1. Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение А.Эйнштейна

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов поверхностью твердых тел и жидкостей под действием электромагнитного излучения.

Явление фотоэлектрического эффекта впервые обнаружил Г. Герц в 1887 году. Он заметил, что проскакивание искры между электродами разрядника облегчается, если отрицательно заряженный электрод осветить УФ – лучами. Дальнейшее экспериментальное исследование фотоэффекта было проведено в 1888 году В. Гальваксом (1859-1922) и в 1888-1890г. А. Г.Столетовым. В 1898г. Ф. Ленард (1862-1947) и Д.Д. Томсон определили заряд частиц, испускаемых поверхностью тел под действием света. Они установили, что частицы являются электронами, которые в дальнейшем будем называть фотоэлектронами. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта показана на рис. 1

рис. 1

В вакуумной трубке находятся 2 электрода: катод К из исследуемого вещества, на который падает свет, и анод А. Потенциометр П позволяет изменять значение и знак подаваемого на электроды напряжения U. Если направить на катод поток света, то в цепи возникает ток, который можно измерить с помощью микроамперметра. Полученные с помощью установки (рис. 1) вольт – амперная характеристика приведена на рис. 2

рис.2

Кривые 1и 2 соответствуют постоянным значениям светового потока, причем . Фототок I, начиная с определенного значения анодного напряжения , остается практически постоянным, т.е. достигает насыщения. Это означает, что при U= все электроны, вылетевшие из катода под действием, достигают анода. Оказывается, что если подать на фотокатод возрастающее напряжение противоположного знака, фототок будет постепенно уменьшаться и при некотором значении напряжения прекратится, здесь - задерживающее напряжение. Это значит, что вылетающие из катода фотоэлектроны обладают кинетической энергией, которая меньше некоторого максимально возможного ее значения , причем очевидно, что:

(1)

Основные закономерности фотоэффекта в 1888 г. установил русский физик А.Г. Столетов. Исследования Столетова и других ученых привели к установлению следующих основных законов внешнего фотоэффекта:

1. Фототок насыщения I (т.е. максимальное число электронов освобождаемых светом в 1с) прямо пропорционален световому потоку:

(2)

где К – фото чувствительность освещаемой поверхности, которая измеряется в мкА/лм

2. Скорость фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Независимо от интенсивности света фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света, называемой красной границей фотоэффекта

2 и 3законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света. Законы получают простое истолкование на основе квантовой теории света. По этой теории, световой поток определяется числом световых квантов (фотонов), падающих в единицу времени на поверхность металла. Каждый фотон может взаимодействовать только с одним электроном (кванты электромагнитного излучения были названы фотонами в 1926г.) Поэтому максимальное числофотоэлектронов должно быть пропорционально световому потоку (1–й закон внешнего фотоэффекта).

Энергия фотона , поглощенная электроном расходуюется на совершение электроном работы выхода А из металла. Оставшаяся часть этой энергии представляет собой кинетическую энергию фотоэлектрона , где кг (масса электрона), а – его скорость. Тогда, согласно закону сохранения энергии, можно записать:

(3)

(3) – уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта (1905г.)

Здесь представляет собой максимально возможную кинетическую энергию электрона, вырываемого излучением частотой v. Уравнение (3) все экспериментально установленные законы фотоэффекта. Из уравнения (3) видно, что скорость фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности, т.к. ни А, ни v не зависят от интенсивности света. Этот вывод соответствует 2 – му закону фотоэффекта.

Согласно (3), с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (работа А постоянна для данного освещаемого вещества). При некоторой достаточно малой частоте (или ) кинетическая энергия фотоэлектрона станет равной нулю ( ) и фотоэффект прекратится – 3-й закон фотоэффекта. Это произойдет при , т.е. в случае, когда вся энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона. Тогда или,

(4)

(4) – красная граница фотоэффекта

Из (4) следует, что красная граница зависит от работы выхода, т.е. материала фотокатода. В таблице 1 приведены значения работы выхода А и красной границы фотоэффекта для некоторых металлов:

№ п/п	Металл	,мкм	А, эВ
1	Платина	0,235	5,29
2	Вольфрам	0,276	4,50
3	Цинк	0,290	4,19
4	Натрий	0,552	2,25
5	Цезий	0,620	1,89

Вопрос 2. Фотон. Его энергия и импульс.

Порция светового излучения – квант света – обладает корпускулярными свойствами и может рассматриваться как элементарная частица, называемая фотонам. Фотоны являются носителями свойств ЭМП, чем выше частота излучения, тем сильнее проявляется корпускулярные (или квантовые) свойства света.

Световые частицы – фотоны - обладают энергией

(5)

Согласно соотношению Эйнштейна

(6) → = = (7)

Масса фотона определяется из (6)и (7), - это масса движущегося фотона, т.к. в состоянии покоя фотон не существует. Скорость движения фотона равна скорости света м/с. Найдем импульс фотона:

Т.к. ,

то ,

но (8)

То, что экспериментально подтверждено открытием светового давления. Если свет монохроматический, то все фотоны в этом случае имеют одинаковые W, m и р.

Фотоны возникают при переходах атомов, молекул, ионов и атомных ядер из возбужденных энергетических состояний в состояния с меньшей энергией.

Фотоны излучаются также при ускорении и торможении заряженных частиц при расходах некоторых частиц и уничтожении пары электрон – протон.

Процесс поглощения света веществом сводится к тому, что фотоны целиком передают свою энергию частицам вещества. Процесс поглощения света рассматривается в квантовой физике как дискретный и во времени, и в пространстве.