Возникновение квантовой теории
Основная проблема, с которой физики столкнулись в 90-х годах XIX в., состояла в объяснении спектра теплового излучения абсолютно черного тела.
Абсолютно черное тело – тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения любой частоты при произвольной температуре.
По мере возрастания температуры максимум интенсивности теплового излучения испускаемого абсолютно черным телом смещается к более высоким частотам, что противоречило законам классической физики. Такое расхождение теории с экспериментом в конце XIX в. получило название «ультрафиолетовой катастрофы».
Новая теория света, предложенная в 1900 г. М. Планком основывалась на том, что атомы излучают свет не непрерывно, а дискретно, т.е. отдельными порциями – квантами. Энергия излучения кванта прямо пропорциональна частоте излучения:
Где h=6,62∙10-34 Дж∙с – постоянная Планка.
В 1905 г. А.Эйнштейн предполагает, что свет не только испускается, но и поглощается квантами.
Для проверки квантовой теории света А.Эйнштейн предложил простой способ: количественные измерения фотоэффекта.
Фотоэлектрический эффект
Фотоэффект – явление испускания электронов из вещества под действием света.
Явление фотоэффекта было открыто Г.Герцем в 1887 г. и тщательно исследовано А.Г.Столетовым в 1888 г.
Электромагнитное излучение, падает на катод вакуумной трубки через кварцевое окно прозрачное для ультрафиолетовых волн и вырывает электроны, сообщая им некоторую кинетическую энергию. Благодаря этой энергии электроны улетают от катода, а некоторые из них достигают анода, создавая в цепи электрический ток, называемый фототоком.
Напряжение U между анодом и катодом регулируется потенциометром (реостатом). Интенсивность излучения регулируется мощностью лампы, сетками, светофильтрами. Под действием электрического поля электроны движутся от катода к аноду.
При постоянной интенсивности света и при увеличении напряжения между катодом и анодом возрастает сила фототока, но до некоторого максимального значения. Затем фототок остается постоянным. Максимальное значение силы тока Iн называется током насыщения. Таким образом, все электроны, выбиваемые светом из катода, достигают анода. Дальнейший рост тока невозможен.
Ток насыщения определяется числом электронов испускаемых за 1с с освещенного электрода.
Обнаружено что, когда напряжение между электродами равно нулю, ток в таком случае не прекращается.
Если полюсы источника поменять местами, то электрическое поле между электродами будет тормозить вырванные электроны. Прекращение электрического тока в цепи означает, что и самые быстрые электроны, получившие от излучения наибольшую кинетическую энергию, не могут преодолеть пространство между электродами с разностью потенциалов U0 и возвращаются на катод.
Следовательно, по величине тормозящего напряжения можно определить максимальное значение кинетической энергии (скорости) фотоэлектронов.
При изменении интенсивности падающего излучения тормозящее напряжение не меняется.
При увеличении интенсивности излучения и при постоянном напряжении сила фототока возрастает. Следовательно, сила фототока зависит от интенсивности падающего излучения.
От частоты излучения сила фототока не зависит.
На опыте было установлено, что скорость электронов (их кинетическая энергия) зависит от частоты излучения, но не зависит от его интенсивности.
Из графика видно, что существует определенное значение частоты излучения, ниже которой излучение не вызывает фотоэффекта независимо от его интенсивности. Такое значение частоты получило название красная граница nкр фотоэффекта. Для каждого вещества красная граница имеет свое значение.
Законы фотоэффекта
- Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально мощности падающего светового потока Р.
- При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия электронов возрастает линейно по формуле:
- Существует минимальная частота, при которой выбивание электронов с поверхности металла не происходит (красная граница фотоэффекта):
Квантовая теория фотоэффекта
А.Эйнштейн «… свет не только испускается, но и поглощается квантами«.
- Следовательно, чем больше квантов энергии попадает на поверхность вещества в единицу времени, тем больше электронов за это же время покидают эту поверхность.
- Если принять, что электрон вылетает с поверхности вещества, только поглотив такой квант энергии, то его энергия определяется энергией кванта, а значит и частотой.
- Наличие красной границы фотоэффекта объясняется необходимостью совершения определенной работы по вырыванию электронов с поверхности вещества. Такую работу называют работой выхода. Если квант излучения, поглощенный электроном, больше, чем работа выхода, то фотоэффект наблюдается. В противном случае электрон просто не может покинуть вещество.
Эйнштейн для описания взаимодействия кванта света с электроном использовал закон сохранения энергии, где энергия кванта электромагнитного излучения, поглощенная электроном при фотоэффекте, расходуется на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии после вылета из вещества.
Эта формула получила название уравнение (формула) Эйнштейна для фотоэффекта.
Таким образом, уравнение фотоэффекта объясняет все законы внешнего фотоэффекта.
Применение фотоэффекта
На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Их используют в схемах световой сигнализации, а также в звуковом кино для воспроизведения звука, записанного на кинопленке.
На явлении внутреннего фотоэффекта основано действие вентильных фотоэлементов. Это устройство, в котором энергия световой волны превращается в энергию электрического тока.
Такие источники тока используют в солнечных батареях, устанавливаемых на всех космических кораблях. Вентильные фотоэлементы являются основной частью люксметров – приборов для измерения освещенности, а так же фотоэкспонометров.
Используется при автоматическом управлении электрическими цепями с помощью световых сигналов и в цепях переменного тока.
Опорный конспект к уроку:
Краткие итоги:
Явление фотоэффекта открыто Г. Герцем в 1887 г. и исследовано Столетовыми Ленардом в 1888 г. Объяснение фотоэффекта противоречило волновой теории света.
Опираясь на идеи Планка о квантовом характере излучения, Эйнштейн в 1905 г.создал теорию фотоэффекта. Свет рассматривался в ней как фотонный газ – электромагнитное излучение, состоящее из потоков световых квантов (фотонов) с энергией E=hν, обладающей скоростью (с), массой (m), импульсом (p), частотой (ν), длиной волны (λ). Применяя закон сохранения энергии, Эйнштейн получилуравнение для фотоэффекта, описывающее взаимодействие одного кванта света с одним электроном:
Данное уравнение позволило объяснить экспериментальные факты, полученные в ходе исследования фотоэффекта с квантовой позиции.
1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально световому потоку Р.
2. При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия электронов возрастает линейно по формуле:
E=hν-A
3. Существует минимальная частота при которой выбивание электронов с поверхности металла не происходит (красная граница фотоэффекта):
hν=A
Квантовая теория фотоэффекта была экспериментально проверена в 1914 г. Р.Милликеном.
Явление фотоэффекта лежит в работе фотоэлектронных приборов.
