7.8.1. Фотоны

Согласно теории Планка свет имеет прерывную структуру и излучается (поглощается) порциями – фотонами.

Фотон (квант) – порция световой энергии Е = h.

Оказалось, что фотоны похожи на то, что принято называть частицами.

• Часто энергию фотона выражают не через , а через  = 2. Тогда Е = h = , где  (аш с чертой) = =1,0510^–34 Джс.

Из Е = mc²  , где m – масса фотона.

• Фотон не имеет массы покоя m₀.

Импульс фотона , где  – длина волны.

• Энергия фотона чрезвычайно мала: (для зелённого цвета Е = 410^–19 Дж).

• Свойства излучения, связанные с фотонами, называют корпускулярными, причём, чем выше частота ЭМВ, тем в большей степени они проявляются.

7.8.2. Внешний фотоэффект

Подключим к электрометру (п.5.1.1.11) вместо шара цинковую пластину, сообщим ей положительный заряд и осветим ярким светом (например от электрической дуги). Заряд на пластине сохраняется. В случае отрицательного заряда пластина быстро разряжается. Это объясняют тем, что под действием света электроны покидают пластину, причём если она заряжена положительно, то они возвращаются обратно.

Внешний фотоэффект – явление выхода электронов из вещества под действием света.

Фотоэлектрон – электрон, участвующий в фотоэффекте.

• Фотоэффект обнаружил Герц и исследовал Александр Григорьевич Столетов (1839–1896, Россия).

Поставим на пути света стекло – фотоэффект прекратится; прозрачную кварцевую пластину – наблюдается. Известно, что стекло не пропускает ультрафиолетовые лучи. Значит, фотоэффект происходит только под действием УФИ (увеличение энергии излучения с частотами ниже УФИ фотоэффект не создаёт).

• С позиции волновой оптики это необъяснимо, т.к. на электроны должна оказывать решающее действие не частота излучения, а его интенсивность.

• В последствии было обнаружено, что фотоэффект в щелочных металлах можно наблюдать и при видимом излучении.

7.8.2.1. Законы внешнего фотоэффекта

В 1888–1890 гг. Столетов выполнил цикл работ по исследованию внешнего фотоэффекта. Установка состояла из стеклянного баллона с двумя металлическими электродами внутри, один из которых (катод) освещался УФИ через кварцевое окошко. На электроды с потенциометра подавалось напряжение U. При фиксированной освещенности зависимость силы фототока I(U) имеет вид:

Максимальная сила фототока – ток насыщения I_н – определяется числом электронов, выходящих из металла в единицу времени при данной освещённости.

Из графика видно, что I(0)  0 и прекратить фототок можно, приложив обратное задерживающее напряжение U_з. Оказалось, что величина U_з не зависит от интенсивности света. На основе опытов были установлены три закона фотоэффекта.

Первый закон фотоэффекта: количество фотоэлектронов, покидающих поверхность металла в единицу времени, прямо пропорционально энергии световой волны, поглощаемой за это время данной поверхностью.

Полагая, что при U = U_з поле совершает работу по удержанию фотоэлектронов А = eU_з, равную их максимальной кинетической энергии , запишем , т. е. кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света. Оказалось, что U_з зависит от частоты излучения и материала электрода. Тогда второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, прямо пропорциональна частоте излучения и зависит от материала электрода.

Освещая электрод монохроматическим излучением, можно отметить: при уменьшении частоты излучения фототок уменьшается, и на определённой частоте  = _min (при этом  = _max) фотоэффект исчезает.

Красная граница фотоэффекта (_min) – наименьшая частота ЭМВ, вызывающей фотоэффект.

Из опытов получен третий закон фотоэффекта: красная граница фотоэффекта определяется только материалом электрода и состоянием его поверхности.

• Фотоэффект практически безынерционен.