Законы внешнего фотоэффекта. Квантовая теория фотоэффекта.

Внешний фотоэффект - испускание электрона веществом под действием электромагнитного изменения.

Первый закон (закон Столетова): При фиксированной частоте падающего света, число фотоэлектронов вырываемых из катода за единицу времени пропорционально интенсивности света.

Второй закон: Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектрона не зависит от интенсивности падающего света, а а определяется только его частотой.

Третий закон: Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света ниже которой фотоэффект не возможен.

Квантовая гипотеза Планка: h*ню = ε

Формула Энштейна: h*ню = Авых + (m*v2)/2

Авых - работы выхода

Чем больше ню, тем больше кинетическая энергия.

Квантовая теория фотоэффекта

Эйнштейн объяснил экспериментальные законы фотоэффекта на основе квантовых представлений о природе света.

Первый закон фотоэффекта. Монохроматическое излучение, освещающее катод, состоит из потока фотонов с энергией e = h·n. При взаимодействии излучения с веществом атом, находящийся в поверхностном слое, поглощает фотон целиком. При этом он может потратить его на испускание электрона. При облучении металла светом происходит громадное число таких элементарных актов фотоэффекта. Энергия светового пучка складывается из энергий отдельных фотонов. Световой поток пропорционален числу фотонов: Ф ~ h·n·nф. С увеличением числа фотонов (светового потока) растет число электронов nэ, покинувших металл и участвующих в создании фототока. Сила тока насыщения пропорциональна числу электронов I ~ nэ, следовательно, ток насыщения пропорционален световому потоку: Iн ~ Ф.

Второй закон фотоэффекта. При поглощении электроном фотона часть энергии фотона тратится на совершение работы выхода Авых, а остальная часть составляет кинетическую энергию фотоэлектрона. На основе закона сохранения энергии можно записать уравнение для фотоэффекта (уравнение Эйнштейна):

h·n = Авых+ m·V2/2 (7)

Из формулы 7 видно, что кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте света.

Третий закон фотоэффекта При уменьшении энергии фотона уменьшается кинетическая энергия фотоэлектронов. При некотором значении частоты света (n0) энергии фотона хватает только на работу выхода. Соотношение 7 примет вид: h·n0 = Авых. Если же h·n0 < Авых, то электрон не может покинуть металл. Фотоэффект не происходит. Эта частота n0 и будет красной границей фотоэффекта.

Таким образом, квантовая теория света полностью объясняет явление внешнего фотоэффекта. Тем самым было получено экспериментальное подтверждение того, что свет помимо волновых свойств обладает также и корпускулярными свойствами.

Фотоны - это кванты света. Фотоны не имеют массы покоя и электрического заряда, стабильны. Спин фотона равен 1.

Фотон означает свет (от греч.).

Согласно закону пропорциональности массы и энергии и гипотезе Планка, энергия фотона определяется формулой: , согласно теории относительности энегния всегда может быть вычеслена как  отсюда масса фотона

Фотоны имеют импульс:

 Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

ЭффектКомптона (1923)

А. Комптон на опыте подтвердил квантовую теорию света. С точки зрения волновой теории световые волны должны рассеиваться на малых частицах без какого-либо изменения частоты излучения, что опытом не подтверждается.

При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А. Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны рассеянного излучения по сравнению с длиной волны падающего излучения. Чем больше угол рассеяния, тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты (увеличение длины волны). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов А. Комптона можно объяснить следующим образом.

Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон - электрон:     

где m0c2 - энергия неподвижного электрона; hv - энергия фотона до столкновения; hv' - энергия фотона после столкновения, p и p' - импульсы фотона до и после столкновения; mv - импульс электрона после столкновения с фотоном.     

Решение системы уравнений для энергии и импульса с учетом того, что  дает формулу для измерения длины волны при рассеянии фотона на (неподвижных) электронах:           

  где  - так называемая комптоновская длина волны.

Тормозное рентгеновское излучение возникает при торможении электронов, движущихся с большой скоростью, электрическими полями атомов анода. Условия торможения отдельных электронов не одинаковы. В результате в энергию рентгеновского излучения переходят различные части их кинетической энергии.

 Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода. Как известно, энергия фотонов рентгеновских лучей определяет их частоту и длину волны. Поэтому тормозное рентгеновское излучение не является монохроматическим. Оно характеризуется разнообразием длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром.

 Рентгеновские лучи не могут иметь энергию большую, чем кинетическая энергия образующих их электронов. Наименьшая длина волны рентгеновского излучения соответствует максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов. Чем больше разность потенциалов в рентгеновской трубке, тем меньшие длины волны рентгеновского излучения можно получить.

Давление света

В 1873 г. Дж. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствие (благодаря действию силы Лоренца; на рисунке v - направление скорости электронов под действием электрической составляющей электромагнитной волны). 

Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом . Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен  . Световое давление :       

При падении света на зеркальную поверхность удар фотона считают абсолютно упругим, поэтому изменение импульса и давление в 2 раза больше, чем при падении на черную поверхность (удар неупругий).          

Это давление оказалось ~4.10-6 Па. Предсказание Дж. Максвеллом существования светового давления было экспериментально подтверждено П. Н. Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали.

Опыты П. Н. Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом