Явище зовнішнього фотоефекту
Зовнішнім фотоефектом, називається випромінювання електронів речовиною під дією світла. Це явище було відкрито Г. Герцем у 1887 р. Він зауважив, що якщо одну з кульок розрядника висвітлити ультрафіолетовими променями, то іскра проскакує між кульками при меншій напрузі, ніж за відсутності ультрафіолетового випромінювання.
У 1888–1889 pp. А. Г. Столетов провів систематичне дослідження явища зовнішнього фотоефекту. Дослідження виконували на установці, схема якої показана на рис 5.1,а. Світло, проходячи через сітку, падало на суцільну металеву пластину. У результаті ланцюга виникав струм, який реєструвався гальванометром.
На основі отриманих експериментальних результатів Столєтов зробив такі висновки: 1) ефект спостерігається під дією ультрафіолетового випромінювання; 2) сила струму зростає із збільшенням освітленості пластини; 3) частинки, що випускаються під дією світла, мають негативний заряд.
Через 10 років Ленард і Дж. Дж. Томсон, вимірявши заряд частинок, що випускаються під дією світла, встановили, що це електрони. Установку було вдосконалено (рис. 5,б). Отримана вольт-амперна характеристика наведена на рис. 5,в. Залежність струму від напруги нелінійна, і за деякому напрузі фотострумів досягає насичення, т. е. все електрони, випущені катодом, потрапляють на анод. Отже, сила струму насичення визначається кількістю електронів, що випускаються катодом в одиницю часу під дією світла.
Пологий хід кривої свідчить про те, що електрони вилітають з катода з різними швидкостями. Частина електронів, які визначають силу струму приU= 0, мають достатні швидкості для того, щоб долетіти до анода без допомоги прискорюючого поля. Для зниження сили струмудо нуля необхідно докластизатримуючу напругу. При такій напрузі жодному з електронів, що навіть володіє при вильоті з катода найбільшою швидкістю, не вдається подолати затримуюче поле і досягти анода. Тому можна записати:
, (5.1)
де - Маса електрона. Таким чином, вимірявши затримуючу напругу можна визначити максимальну швидкість фотоелектронів.
До 1905 р. було з'ясовано, що максимальна швидкість фотоелектронів залежить від інтенсивності світла, а залежить від його частоти – збільшення частоти призводить до зростання швидкості. Встановлені експериментально залежності не вкладалися у рамки класичних уявлень. Наприклад, за класичними поняттями швидкість фотоелектронів повинна зростати з інтенсивністю падаючого світла.
У 1905 р. Альберт Ейнштейн показав, що це закономірності фотоефекту можна пояснити, якщо припустити, що світло поглинається такими ж порціями (квантами), якими він, за припущенням Планка, випускається. Енергія, отримана електроном, доставляється йому у вигляді кванта h n. Частина цієї енергії, рівна роботі виходуА, витрачається те що, щоб електрон міг залишити тіло. Нагадаємо, що роботою виходу називається найменша енергія, яку необхідно повідомити електрону для того, щоб видалити його із твердого тіла у вакуум. Якщо електрон звільняється світлом над біля поверхні, але в деякій глибині, то частина енергії, рівна , може бути втрачена внаслідок випадкових зіткнень у речовині. Залишок енергії є кінетична енергія електрона, що залишив речовину. Енергія буде максимальна, якщо . У цьому випадку виконується співвідношення
, (5.2)
яке називаєтьсяформулою Ейнштейна.
З формули (5.2) випливає, що у випадку, колиробота виходуАперевищує енергію квантаhn, електрони що неспроможні залишити метал. Отже, для виникнення фотоефекту необхідно виконання умовиhn ³Aабо ; , або для довжини хвилі
.
Частота ( ) або довжина хвилі називаєтьсячервоним кордоном фотоефекту.
Число електронів, що вивільняються внаслідок фотоефекту, пропорційно числу падаючих на поверхню квантів світла. Разом з тим, світловий потік визначається кількістю квантів світла, що падають на поверхню в одиницю часу. Відповідно до цього струм насичення пропорційний падаючому світловому потоку:
Ф. Ця залежність також підтверджується експериментально. Зауважимо, лише мала частина квантів передає свою енергію фотоелектронам. Енергія інших квантів витрачається на нагрівання речовини, що поглинає світло.
Досвід Боте. Фотони
Щоб пояснити розподіл енергії у спектрі рівноважного теплового випромінювання, достатньо, як показав Планк, припустити, що світло випромінюється квантами. Для пояснення фотоефекту досить припустити, що світло поглинається такими самими порціями. Ейнштейн висунув гіпотезу, що світло поширюється у вигляді дискретних частинок, названих спочатку світловими квантами. Згодом ці частки отримали назву фототонів (1926 р.). Гіпотезу Ейнштейна безпосередньо підтвердив досвід Боте (рис. 6.1).
Внаслідок малої інтенсивності первинного пучка кількість квантів, що випускаються фольгою, була невелика. При попаданні в лічильник рентгенівськихпроменів запускався особливий механізм (М), що робив позначку на стрічці, що рухається (Л). Якби випромінювана енергія поширювалася рівномірно на всі боки, як це випливає з хвильових уявлень, обидва лічильники мали б спрацьовувати одночасно і позначки на стрічці припадали б одна проти іншої.
Насправді ж спостерігалося абсолютно безладне розташування позначок. Це можна пояснити лише тим, що в окремих актах випромінювання виникають світлові частки, що летять то одному, то іншому напрямку. Так було підтверджено існування спеціальних світлових частинок – фотонів.
Енергія фотона визначається його частотою
. (6.1)
Електромагнітна хвиля, як відомо, має імпульс. Відповідно, і фотон повинен мати імпульс (p). Зі співвідношення (6.1) та загальних принципів відносності випливає, що
. (6.2)
Таке співвідношення між імпульсом та енергією можливе лише для частинок з нульовою масою спокою, що рухаються зі швидкістю світла. Таким чином: 1) маса спокою фотона дорівнює нулю; 2) фотон рухається зі швидкістю світла. Сказане означає, що фотон є частинкою особливого роду, відмінну від таких частинок, як електрон, протон і т. п., які можуть існувати, рухаючись зі швидкостями, меншимис, і навіть спокою. Виразивши в (6.2) частоту w через довжину хвилі l, отримаємо:
,
де модуль хвильового вектораk. Фотон летить у напрямку поширення електромагнітної хвилі. Тому напрямки імпульсур і хвильового вектораk збігаються:
.
Нехай на поверхню, що повністю поглинає світло, падає потік фотонів, що летять по нормалі до поверхні. Якщо концентрація фотонів дорівнюєN, то одиницю поверхні падає в одиницю часуNcфотонів. При поглинанні кожен фотон повідомляє стінці імпульср=Е/с. Імпульс, що повідомляється в одиницю часу одиниці поверхні, тобто тискРсвітла на стінку
.
ТвірNЕдорівнює енергії фотонів, укладених в одиниці об'єму, тобто щільності електромагнітної енергіїw.Таким чином, тиск, що чиниться світлом на поверхню, що поглинає, дорівнює об'ємній щільності електромагнітної енергії>P=w.
При відображенні віддзеркальної поверхніфотон повідомляє їй імпульс 2р. Тому для абсолютно відбиває поверхніP= 2w.