Теорія фотонів
Тема 2.Теорія фотонів. Фотоелектричний ефект
Відкриття фотоелектричного ефекту. Концепція фотон. Теорія фотонів. Ефект електронної лавини.
Фотоефект - це випромінювання електронів речовиною під впливом світла (і, взагалі кажучи, будь-якого електромагнітного випромінювання). У конденсованих речовинах (твердих та рідких) виділяють зовнішній та внутрішній фотоефект.
В 1839 Олександр Беккерель спостерігав явище фотоефекту в електроліті.
У 1873 році Віллоубі Сміт виявив, що селен є фотопровідним. Потім ефект вивчався 1887 року Генріхом Герцем. Працюючи з відкритим резонатором, він помітив, що якщо посвітити ультрафіолетом на цинкові розрядники, то проходження іскри помітно полегшується.
Дослідження фотоефекту показали, що, всупереч класичній електродинаміці, енергія електрона, що вилітає, завжди суворо пов'язана з частотою падаючого випромінювання і практично не залежить від інтенсивності опромінення.
У 1888-1890 роках фотоефект систематично вивчав український фізик Олександр Столетов. Ним було зроблено кілька важливих відкриттів у цій галузі, зокрема виведено перший закон зовнішнього фотоефекту.
Фотоефект був пояснений в 1905 Альбертом Ейнштейном (за що в 1921 він, завдяки номінації шведського фізика Карла Вільгельма Озеєна, отримав Нобелівську премію) на основі гіпотези Макса Планка про квантову природу світу. У роботі Ейнштейна містилася важлива нова гіпотеза — якщо Планк у 1900 році припустив, що світло випромінюється лише квантованими порціями, то Ейнштейн уже вважав, що світло існує тільки у вигляді квантованих порцій. З закону збереження енергії, при поданні світла у вигляді частинок (фотонів), випливає формула Ейнштейна для фотоефекту:
де Aout -т.з. робота виходу (мінімальна енергія, необхідна для видалення електрона з речовини), Ek — кінетична енергія електрона, що вилітає (залежно від швидкості може обчислюватися як кінетична енергія релятивістської частки, так і немає), ν — частота падаючого фотона з енергією hν, h — постійна Планка.
З цієї формули випливає існування червоної межі фотоефекту, тобто існування найменшої частоти, нижче за яку енергії фотона вже не достатньо для того, щоб «вибити» електрон з металу. Суть формули полягає в тому, що енергія фотона витрачається на іонізацію атома речовини і на роботу, необхідну для виривання електрона, а залишок переходить у кінетичну енергію електрона.
Дослідження фотоефекту були одними з перших квантово-механічних досліджень у фізиці.
Формулювання 1-го закону фотоефекту: кількість електронів, що вириваються світлом з поверхні металу за одиницю часу на цій частоті, прямо пропорційно світловому потоку, що висвітлює метал.
Згідно з 2-м законом фотоефекту, максимальна кінетична енергія електронів, що вириваються світлом, лінійно зростає з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.
Третій закон фотоефекту: для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла ν0 (або максимальна довжина хвилі λ0), при якій ще можливий фотоефект, і якщо ν 1 стор.