Кто открыл фотоэлектрический эффект

Тема 26. Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект. Виды фотоэффекта. Опыты Столетова. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Применение фотоэффекта.

Фотоэлектрический эффект – вырывание электронов из атомов и молекул вещества под действием света (излучения) – впервые был обнаружен в 1887 г. Г. Герцем.

Если электроны, выбитые светом, вылетают за пределы вещества, фотоэффект называют внешним, он наблюдается главным образом у металлов. Если же оторванные от своих атомов или молекул электроны остаются внутри освещаемого вещества в качестве свободных, фотоэффект называютвнутренним,он наблюдается у некоторых полупроводников и в меньшей степени у диэлектриков.

Явление внешнего фотоэффекта впервые было исследовано А.Г. Столетовым в 1890 г. Схема опытов Столетова по исследованию фотоэффекта приведена на рис. 1.2.

Излучение через окно Свакуумной трубки попадает на исследуемую пластинкуК, служащую катодом. Анодом служит вспомогательный электродА. Напряжение между катодом и анодом регулируется потенциометромRи регистрируется вольтметромV. Источник напряжения, к которому подключен потенциометр, представляет собой две аккумуляторных батареи, включенные встречно, что позволяет менять значение и знак напряжения между катодом и анодом.

Если пластинку Косвещать через окноС, то свет вырвет из пластинки электроны, называемыефотоэлектронами. Под действием электрического поля фотоэлектроны движутся к анодуА, замыкая цепь, и гальванометрGпоказывает наличие тока, который называютфототоком, так как если катод не освещать, ток в цепи отсутствует. Изменяя при помощи потенциометраRвеличину и знак напряжения, Столетов получил зависимости фототока от напряжения при неизменной величине светового потокаФ, вид которых показан на рис. 1.3.

Из рисунка видно, что ток в цепи возникает и в том случае, когда анодное напряжение равно нулю и даже при небольшом отрицательном (задерживающем) напряжении на аноде. Это связано с тем, что вылетающие из катода фотоэлектроны, обладают кинетической энергией, за счет которой совершается работа против сил задерживающего поля. Если поле тормозит электроны, то при некотором значении напряжения U_з, называемомзадерживающим потенциалом,фотоэлектроны полностью растрачивают на работу против сил поля полученную при выходе из катода кинетическую энергию и не достигают анода – фототок становится равным нулю. Зная величину задерживающего потенциала, можно определить кинетическую энергию фотоэлектронов, а значит, и их скорость.

Если электрическое поле между катодом и анодом является ускоряющим, то при некотором значении напряжения все фотоэлектроны достигают анода, и через гальванометр идет ток, зависящий только от числа электронов, вырываемых светом с поверхности катода за единицу времени. Этот ток называют током насыщенияI_н.Из рисунка видно, что величина тока насыщения зависит от интенсивности светового потока, падающего на катод.

Опытным путем были сформулированы следующие законы фотоэффекта:

1. Сила фототока насыщения, возникающая при освещении монохроматическим светом, пропорциональна световому потоку, падающему на катод.
2. Скорость фотоэлектронов увеличивается с ростом частоты (с уменьшением длины волны) падающего света и не зависит от интенсивности светового потока.
3. Независимо от интенсивности светового потока фотоэффект начинается только при определенной для данного металла минимальной частоте (максимальной длине волны) света, называемой красной границей фотоэффекта.

Классическая теория излучения как непрерывной электромагнитной волны рассматривала фотоэффект следующим образом: падающая на металл электромагнитная волна приводит электроны, находящиеся вблизи поверхности металла в колебательное движение с амплитудой, пропорциональной интенсивности падающего света. В результате электрон приобретает энергию, достаточную для преодоления силы притяжения положительных ионов и вылетает из катода. Чем больше интенсивность падающей световой волны, тем больше электронов получат энергию, достаточную для вылета из катода, и тем больше будет ток насыщения. Такая картина объясняла первый закон фотоэффекта, но из этих же рассуждений следовало, что кинетическая энергия вылетающих электронов также должна быть пропорциональна интенсивности падающего света, а это противоречит второму закону фотоэффекта. Кроме того, будь свет непрерывной электромагнитной волной, внешний фотоэффект, практически мгновенный, должен был бы обладать инерцией – ведь на «раскачку» электронов электромагнитной волной требуется некоторое время. Красной границы по классической теории тоже не должно быть – фотоэффект должен был бы наблюдаться на любых частотах, но при разных освещенностях, так как энергия волны пропорциональна не только квадрату амплитуды, но и квадрату частоты. Чтобы объяснить эти загадочные закономерности фотоэффекта А. Эйнштейн использовал и развил квантовую гипотезу Планка: он предположил, что излучение не только испускается, но и распространяется, и поглощается также отдельными порциями – квантами, каждый из которых локализован в пространстве и имеет энергию hν, пропорциональную частоте. По Эйнштейну, внешний фотоэффект представляет собой взаимодействие электрона с одним квантом. Электрон, находящийся внутри вещества, поглотив квант излучения, либо покинет вещество, либо останется внутри него. Это зависит от того, что больше: энергия поглощенного кванта hνили работа выхода электрона. Если энергия кванта больше работы выходаА_в, электрон сможет покинуть катод, совершив работу выхода, а превышающая ее часть энергии кванта пойдет на придание фотоэлектрону кинетической энергии (1.9) – уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно представляет собой закон сохранения и превращения энергии применительно к фотоэффекту и позволяет объяснить все его законы: работа выхода электрона из металла зависит только от природы вещества (находится по справочным данным), поэтому для данного фотокатода скорость фотоэлектронов действительно должна зависеть от частоты света, а не от его интенсивности. Становится понятным и существование красной границы фотоэффекта – с уменьшением частоты падающего света уменьшается поглощенная электроном энергия, и когда она станет равна работе выхода, фототок прекратится: , или , (1.10) то есть красная граница фотоэффекта зависит только от природы вещества. Наконец, раз каждый из квантов взаимодействует лишь с одним электроном, общее число фотоэлектронов должно быть пропорционально числу падающих квантов, то есть интенсивности света. Внешний фотоэффект широко применяется в технике для превращения энергии излучения в электрическую энергию – в различных фотоэлементах и фотореле, управляющих электрическими цепями, для воспроизведения звука в кино.

24. Фотоэффект. Законы фотоэффекта.

Фотоэффект возникает при взаимодействии вещества с поглощаемым электромагнитным излучением.

Различают внешний и внутренний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

Внутренним фотоэффектом называется явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе, а следовательно, и увеличения электропроводности вещества под действием света. Частным случаем внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект — явление возникновения под действием света электродвижущей силы в контакте двух различных полупроводников или полупроводника и металла.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888—1890 гг. А. Г. Столетовым.

Законы фотоэффекта

1. Число фотоэлектронов, вырываемых за 1 с с поверхности катода, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты.

3. Красная граница фотоэффекта зависит только от рода вещества катода.

4. Фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом до вылета электронов проходит время с.

25. Гипотеза Планка. Фотоны. Уравнение Энштейна для фотоэффекта. Корпускулярно-волновой дуализм.

Гипо́теза Пла́нка — при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию , пропорциональной частоте ν излучения:

где h или — коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка. На основе этой гипотезы он предложил теоретический вывод соотношения между температурой тела и испускаемым этим телом излучением — формулу Планка.

Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле —света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Фотоны обозначаются буквой , поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практическисинонимичны. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны [3] являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами. [4] Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов

Внешний фотоэффект хорошо объясняется квантовой теорией. Согласно этой теории, электрон получает сразу целиком всю энергию фотона e=hv, которая расходуется на совершение работы выхода электрона из вещества (катода) и на сообщение электрону кинетической энергии:

.(7)

Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм — принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля.

Как классический пример, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойстваэлектромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемуюуравнениями Максвелла [1] .

Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году [2] . Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

26. Тепловое излучение. Абсолютно чёрное тело. Закон Кирхгофера.

Тепловое излучение – это такое излучение, которое происходит за счет энергии теплового движения, т.е. за счет внутренней энергии тела. Тепловое излучение может находиться в равновесии с веществом. В этом случае тепловое излучение является равновесным. Установление равновесия в системе происх. особенным путем – через взаимодействие со стенками полости. Вещество непрер-но поглощает и излучает кванты ЭМП (фононы) так, что их общее число в полости не постоянно. Таким образом, тепловое равновесие имеет динамический характер, т.е. при одинаковой температуре происходит непрерывное излучение и поглощение энергии, но так, что в единицу времени тело столько излучает, сколько и поглощает (1 правило Прево).

Абсолютно черное тело — понятие теории теплового излучения, означающее тело, которое полностью поглощает любое падающее на его поверхность электро-магнитное излучение, независимо от температуры этого тела. Таким образом, для абсолютно черного тела поглощательная способность (отношение поглощённой энергии к энергии падающегоизлучения) равна 1 при излучениях всех частот, направлений распространения и поляризаций.

Абсолютно чёрных тел в природе не существует, поэтому в физике для экспериментов используется модель. Она представляет из себя замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но при нагревании этой полости у неё появится собственное видимое излучение.

Первый закон Кирхгофа (Закон токов Кирхгофа, ЗТК) гласит, что алгебраическая сумма токов в любом узле любой цепи равна нулю (значения вытекающих токов берутся с обратным знаком):

Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Данный закон следует из закона сохранения заряда. Если цепь содержит узлов, то она описывается уравнениями токов. Этот закон может применяться и для других физических явлений (к примеру, водяные трубы), где есть закон сохранения величины и поток этой величины.

Второй закон Кирхгофа (Закон напряжений Кирхгофа, ЗНК) гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений по любому замкнутому контуру цепи равна алгебраической суммеЭДС, действующих вдоль этого же контура. Если в контуре нет ЭДС, то суммарное падение напряжений равно нулю:

для постоянных напряжений

для переменных напряжений

Иными словами, при обходе цепи по контуру, потенциал, изменяясь, возвращается к исходному значению. Если цепь содержит ветвей, из которых содержат источники тока ветви в количестве , то она описывается уравнениями напряжений. Частным случаем второго правила для цепи, состоящей из одного контура, является закон Омадля этой цепи.

Законы Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных цепей при любом характере изменения во времени токов и напряжений.

27. Закон Стефана-Больцмана. 1-й и 2-й законы Вина.

Закон Стефана-Больцмана — Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.

Из формулы видно, что при повышении температуры светимость тела не просто возрастает — она возрастает в значительно большей степени. Увеличьте температуру вдвое, и светимость возрастет в 16 раз!

Первый закон излучения Вина

В 1893 году Вильгельм Вин, воспользовавшись, помимо классической термодинамики, электромагнитной теорией света, вывел следующую формулу:

где u_ν — плотность энергии излучения,

ν — частота излучения,

T — температура излучающего тела,

f — функция, зависящая только от частоты и температуры. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.

Первая формула Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина.

Из первой формулы Вина можно вывести закон смещения Вина (закон максимума) и закон Стефана — Больцмана, но нельзя найти значения постоянных, входящих в эти законы.

Исторически именно первый закон Вина назывался законом смещения, но в настоящее время термином «закон смещения Вина» называют закон максимума.

[править]Второй закон излучения Вина

В 1896 году Вин на основе дополнительных предположений вывел второй закон:

где C₁, C₂ — константы. Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным конкретным случаем первого закона Вина.

Позже Макс Планк показал, что второй закон Вина следует из закона Планка для больших энергий квантов, а также нашёл постоянные C₁ и C₂. С учётом этого, второй закон Вина можно записать в виде:

где h — постоянная Планка,

k — постоянная Больцмана,

c — скорость света в вакууме.

§2. Открытие фотоэффекта

В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тщательно исследованного выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Явление это получило название фотоэффекта.

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света.

Для обнаружения фотоэффекта можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной (рис. 20).

Если зарядить пластину положительно, то освещение пластины, например электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки электро­метра. Но если пластину зарядить отрица­тельно, то световой пучок от дуги разря­жает электрометр очень быстро.

Объяснить это можно единственным образом. Свет вырывает электроны с по­верхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При положительном же за­ряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не изменяется.

Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стек­ло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения. Поскольку известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить, что именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себе несложный факт нельзя объяснить на основе волновой теории света. Непонятно, поче­му световые волны малой частоты не могут вырывать элек­троны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, велика сила, действующая на электроны.

Законы фотоэффекта. Для того чтобы получить о фотоэф­фекте более полное представление, нужно выяснить, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) и чем определяется их скорость или кинетическая энергия. С этой целью были проведены экспе­риментальные исследования, которые состояли в следующем. В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, помещаются два электрода (рис. 21). Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через кварцевое «окошко», прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излуче­ния. На электроды подается напря­жение, которое можно менять с по­мощью потенциометра и измерять вольт­метром. К освещаемому электроду при­соединяют отрицательный полюс ба­тареи. Под действием света этот элек­трод испускает электроны, которые при Движении в электрическом поле обра­зуют электрический ток.

Рис.21

При малых напряжениях не все вырванные све­том электроны достигают другого электрода. Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока нарастает. При некотором напряжении она достигает максимального значе­ния, после чего перестает увеличиваться (рис. 22). Максималь­ное значение силы тока I_н называется током насыщения. Ток насыщения определяется числом электронов, испущенных за 1 с освещаемым электродом.

Изменяя в этом опыте интенсивность излучения, удалось установить, что количество электронов, вырываемых светом с по­верхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. В этом ничего неожидан­ного нет: чем больше энергия светового пучка, тем эффективнее его действие.

Теперь остановимся на измерении кинетической энергии (или скорости) электронов. Из графика, приведенного на рисунке 22, видно, что сила фототока отлична от нуля и при нулевом напряже­нии. Это означает, что часть вырванных светом электронов дости­гает правого (рис. 21) электрода и при отсутствии напряже­ния. Если изменить полярность батареи, то сила тока уменьшится и при некотором напряжении U_з обратной полярности она станет равной нулю. Это значит, что электрическое поле тормозит вырван­ные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод.

Задерживающее напряжение U_з зависит от максимальной кинетической энергии, которую имеют вырванные светом электро­ны. Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической энергии, можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов.

При изменении интенсивности света (плотности потока излу­чения) задерживающее напряжение, как показали опыты, не ме­няется. Это означает, что не меняется кинетическая энергия электронов. С точки зрения волновой теории света этот факт непо­нятен. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со стороны электромагнитного поля све­товой волны и тем большая энергия, казалось бы, должна пере­даваться электронам.

На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия выры­ваемых светом электронов зависит только от частоты света.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности света. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты _min то фотоэффект не про­исходит.

Теория фотоэффекта. Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе зако­нов электродинамики Максвелла, согласно которым свет — это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в про­странстве, оказались безрезультатными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает электроны.

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями. Энергия Е каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте: Е=h, где h — постоянная Планка.

Из того, что свет, как показал Планк, излучается порциями, еще не вытекает прерывистая структура самого света. Ведь и дождь выпадает на землю каплями, но отсюда совсем не следует, что вода имеет прерывистую структуру и состоит из неделимых частей — капель. Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энер­гии Е = h сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.

Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии. Энергия порции света /iv идет на совершение работы выхода А, т. е. работы, которую нужно совер­шить для извлечения электрона из металла, и на сообщение электрону кинетической энергии. Следовательно,

Это уравнение объясняет основные факты, касающиеся фото­эффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла. Скорость же электронов согласно приведенной формуле определяется только частотой света и работой выхода, зависящей от рода металла и состояния его поверхности. От интенсивности света она не зависит.

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота  света больше минимального значения _min. Ведь чтобы вырвать электрон из металла даже без сообще­ния ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы: h  А.

Предельную частоту _min называют красной границей фото­эффекта. Она выражается так:

Работа выхода А зависит от рода вещества. Поэтому и предельная частота _min фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна.

Для цинка красной границе соответствует длина волны _max =3,710 -7 м (ультрафиолетовое излучение). Именно этим объясняется опыт по прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовые лучи.

Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка. Поэтому в опыте обычно используется цинковая пластина. У щелочных металлов работа выхода, напротив, мень­ше, а длина волны _max, соответствующая красной границе, боль­ше. Так, для натрия _max =6,810 -7 м.

Пользуясь уравнением Эйнштейна, можно найти постоянную Планка h. Для этого нужно экспериментально опре­делить частоту света , работу выхода А и измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Такого рода измерения и расчеты дают: h = 6,6310 -34 Джс. Точно такое же значение было найдено Планком при теоретическом изучении совершенно другого явле­ния — теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полученных различными методами, подтверждает пра­вильность предположения о прерывистом характере излучения и поглощения света веществом.

Фотоны. При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц с энергией Е=h, зависящей от частоты. Порция света оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято на­зывать частицей. Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении, называют корпускулярными. Сама же световая частица получила название фотона или светового кванта.

Фотон, подобно частицам, обладает определенной порцией энергии h. Энергию фотона часто выражают не через частоту , а через циклическую частоту  =2. При этом в качестве коэффициента пропорциональности вместо величины h используют величину

равную, по сов­ременным данным,

Тогда энергия фотона выражается так:

Согласно теории относительности энергия всегда связана с массой соотношением Е=тс 2 . Так как энергия фотона равна h, то, следовательно, его масса т определяется так:

Фотон не имеет массы покоя то, т. е. он не существует в состоянии покоя, и при рождении сразу приобретает скорость с. Масса, определяемая этой формулой, — это масса движущегося фотона. По известной массе и скорости фотона можно найти его импульс:

Направлен импульс фотона по световому лучу.

Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и тем отчетливее выражены корпускулярные свойства света. Из-за того, что постоянная Планка мала, энергия фотонов видимо­го света крайне незначительна. Фотоны, соответствующие зелено­му свету, имеют энергию 410 -19 Дж.

Тем не менее в замечательных опытах С. И. Вавилова было установлено, что человеческий глаз, этот тончайший из «прибо­ров», способен реагировать на различие освещенностей, измеряе­мое единичными квантами.

Эффект Комптона. Наиболее отчетливо квантовые свойства электромагнитного излучения проявляются при рассеянии рентге­новских и гамма-лучей на свободных электронах (Рис.23). При этом на­блюдается увеличение длины волны рассеянного излучения по сравнению с длиной волны падающего. Это явление было от­крыто в 1922 г. американским физиком А. Комптоном (1892—1962).

Рис.23. Схема опыта Комптона

Согласно классической теории электромагнитного поля рас­сеяние излучения на свободных электронах не должно сопро­вождаться изменением длины волны. Падающая волна частотой v вызывает вынужденные колебания электронов той же частоты. Колеблющиеся электроны излучают вторичные электромагнитные волны с частотой . Это и есть рассеянное излучение. Его длина волны  должна равняться длине волны падающего излу­чения.

Объяснить изменение длины волны при рассеянии (эффект Комптона) оказалось возможным только на основании представ­ления о фотонах как частицах света, обладающих энергией Е=h и импульсом:

Изменение длины волны можно найти, используя законы сохранения энергии и импульса при столкновении фотона с электроном. Сталкиваясь с электроном, фотон передает ему часть своей энергии. В результате энергия электрона увеличивается, а фотона уменьшается. Уменьшение энергии означает уменьшение частоты фотона, а значит, увели­чение длины волны излучения. Согласно закону сохранения энергии

где Е₀ = m_оc 2 и Е — соответственно начальная (до столкнове­ния) и конечная энергия электрона (m_о — масса покоя электро­на),  — частота рассеянного фотона.

При столкновении фотона с электроном меняется не только энергия, но и импульс фотона по модулю и направлению. Часть импульса фотона передается электрону. На рисунке 24 изображены векторы импульса фотона до столкновения (р = h/с) и после столкновения (р = h/с).

Электрон до столкновения считается покоящимся. После столкновения он приобретает импульс р_е. Согласно закону сохранения импульса

Из законов сохранения энергии и импульса мож­но определить изменение длины волны рассеянного излучения в зависимости от угла рассеяния  (рис. 24):

Здесь _к = h/m₀c = 2,410 -10 м.

Постоянная величина называемая комптоновской длиной волны электрона.

Опыты Комптона подтвердили справедливость этой формулы. Комптон наблюдал рассеяние рентгеновских лучей на парафине, графите и др. Энергия фотонов рентгеновских лучей велика по сравнению с энергией ионизации атомов этих веществ. Фотоны вырывают электроны из атомов, сообщая им большую энергию.

Поэтому электроны можно считать сво­бодными и покоящимися до столкно­вения. Из-за того, что приобретаемая электронами энергия велика, при выводе формулы Комптона надо пользоваться релятивистскими выражениями для энергии и импульса электрона.

Если явление фотоэффекта доказало, что фотон обладает энер­гией Е=h, то эффект Комптона послужил экспериментальным доказательством того, что фотон обладает импульсом

В этом отношении фотон подобен всем другим элементарным частицам.

Корпускулярно-волновой дуализм. Итак, ученые были вы­нуждены ввести представление о свете как о потоке частиц. Может показаться, что это возврат к корпускулярной теории Ньютона. Однако нельзя забывать, что интерференция и дифрак­ция света вполне определенно говорят о наличии у света волновых свойств. Свет обладает своеобразным дуализмом (двойствен­ностью) свойств. При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излу­чении и поглощении) — корпускулярные. Все это, конечно, стран­но и непривычно. Мы не в состоянии представить себе наглядно, как же это может быть. Но тем не менее это факт. Мы лишены возможности представлять себе наглядно в полной мере процессы в микромире, так как они совершенно отличны от тех макроско­пических явлений, которые люди наблюдали на протяжении мил­лионов лет и основные законы которых были сформулированы к концу XIX века.

С течением времени двойственность свойств была открыта у электронов и других элементарных частиц. Электрон, в част­ности, наряду с корпускулярными свойствами обладает также и волновыми. Наблюдается дифракция электронов.

Эти необычайные свойства микрообъектов описываются с помощью квантовой механики — современной теории движения микрочастиц. Механика Ньютона оказывается здесь непримени­мой. Но изучение квантовой механики выходит за рамки школь­ного курса физики.

Основные сведения о фотоэффекте как физическом явлении

Фотоэффект — явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передается электронам вещества. Простыми словами, при фотоэффекте падающий свет выбивает электроны из вещества.

В твердых и жидких веществах выделяют внешний (поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела) и внутренний (электроны, оставаясь в теле, изменяют в нем свое энергетическое состояние) фотоэффекты. Существует так же и ядерный фотоэффект. А фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения.

История открытия

Об истории открытия внешнего фотоэффекта

Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований. Генрих Герц был основоположником и первооткрывателем внешнего фотоэффекта. В 1887 году он проводил исследования с открытым резонатором и заметил, что при освещении ультрафиолетом цинкового разрядника (электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений в электрических сетях и установках), прохождение искры заметно облегчается. Примечание 1

В России физические основы фотоэффекта изучал физик Александр Столетов, в 1888 – 1890 годах он опубликовал шесть работ в этой тематике. Столетов был первым физиком, который вывел закон внешнего фотоэффекта. В своих исследованиях он вплотную подошел к выводу о существовании красной границы фотоэффекта.

Позже, в 1891 году немецкие физики-экспериментаторы Эльстер и Гейтель при изучении щелочных металлов пришли к выводу, что, чем выше электроположительность металла, тем ниже граничная частота, при которой он становится фоточувствительным. В 1898 году английский физик Томсон с помощью экспериментов выяснил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами). Поэтому увеличение фототока с ростом освещенности понимают как увеличение количества выбитых электронов с ростом освещенности. Немецкий физик Филипп Ленард в 1900 — 1902 годах продолжал исследования предшественников. Ему стало понятно что, энергия вылетающего электрона всегда связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения. Используя свои исследования и результаты исследований других физиков-экспериментаторов (в особенности гипотезу о квантовой природе света Макса Планка), Альберт Эйнштейн дал окончательное объяснение и определение явлению фотоэффекта в 1905 году. За что в 1921 году он получил Нобелевскую премию. В работе Эйнштейна содержалась новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. В 1906 — 1915 годах фотоэффект заинтересовал Роберта Милликена. Он установил точную зависимость запирающего напряжения от частоты и на его основании смог вычислить постоянную Планка. В 1923 году Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики за исследования элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта.

«Я потратил десять лет моей жизни на проверку этого эйнштейновского уравнения 1905 г., — писал Милликен, — и вопреки всем моим ожиданиям я вынужден был в 1915 г. безоговорочно признать, что оно экспериментально подтверждено, несмотря на его несуразность, так как казалось, что оно противоречит всему, что мы знаем об интерференции света»

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах, фотоумножителях, в видиконах (трубки телекамер и видеокамер).

Об истории открытия внутреннего фотоэффекта

В 1839 году Александр Беккерель зарегистрировал фотовольтаический эффект в электролите. А в 1873 году Уиллоуби Смиту удалось выяснить, что селен является фотопроводящим. Определение 2

Внутренний фотоэффект — явление возрастания электропроводности и уменьшения сопротивления, вызванное облучением. В условиях внутреннего фотоэффекта под действием света происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням в диэлектриках и полупроводниках (исключением являются металлы). Такое явление называется фотопроводимостью.

Ядерный фотоэффект

Ядро при поглощении гамма-кванта получает избыток энергии и становится составным ядром. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведет к ядерным реакциям, которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов (нейтронов и протонов) в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.

Основные законы фотоэффекта

Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта: hv = Aвых + EК, где h ― постоянная Планка (6,6 ∙ 10-34 Дж∙с); v ― частота света, Гц; Aвых ― работа выхода, Дж; EК ― кинетическая энергия фотона, Дж. Процесс фотоэффекта происходит со скоростью света. Работа выхода напрямую зависит от состава материала и его поверхности, но не зависит от частоты и интенсивности света. Первый закон фотоэффекта (закон Столетова): сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения. Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте). Следовательно, чем больше энергии несет излучение, тем ощутимее наблюдаемый результат. Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия выбиваемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Краткая формулировка третьего закона фотоэффекта: абсолютно для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая ей длина волны называется красной границей фотоэффекта.

Применение фотоэффекта

Фотоэффект нашел широкое практическое применение в медицине, технике и других сферах. Превращение света в электрический ток используется для передачи изображения на огромные расстояния. Это используется в телевидении. Фотоэлементы применяют при считывании информации с оптических дисков. Их же применяют, например, в солнечных батареях для получения электроэнергии. Недавно фотоэффект начали применять в уличном освещении, специальные фотоэлементы сами распознают, когда нужно включить или выключить освещение. Полупроводниковые фотоэлементы используются в солнечных батареях на космических кораблях. Примечание 2

Использование фотоэффекта в медицине при рентгеновских исследованиях (в электронно-оптическом преобразователе) для усиления яркости изображения помогает уменьшить дозу облучения человека.

Внутреннему фотоэффекту нашлось применение в категориях устройств, преобразующих световую энергию в электрическую или изменяющих свои свойства под действием падающего света: фотосопротивления, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фотомикросхемы.