Действие света

Лекция № 13

Действие света

Фотоэлектрический эффект

В 1887 г. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода искрового разрядника ультрафиолетовым светом, разряд происходит при меньшем напряжении между электродами. Столетов провел опыты на плоском конденсаторе, одна из обкладок которого была медная сетка, а вторая обкладка – цинковая пластинка. Между пластинкой и сеткой создавалась разность потенциалов. При освещении отрицательно заряженной пластинки светом, в цепи возникал фототок. Освещение положительно заряженной обкладки ток не возникал. Были установлены законы внешнего фотоэффекта.

1) Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит и не зависит от его интенсивности.

2) Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света ν₀, при которой еще возможен фотоэффект. Величина ν₀ зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

3) Число фотоэлектронов n, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света (фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности Е катода).

Опыты показали, что фотоэффект практически безинерционен.

Законы фотоэффекта удалось объяснить Эйнштейну в 1905 г. с привлечением квантовой теории света. Эйнштейн предложил считать, что свет квантами не только излучается, но и распространяется и поглощается. Эти кванты были названы фотонами. Он предложил формулу на основе закона сохранения энергии

Рекомендуемые материалы

                                                  (1)

Фотон с энергией hν поглощается электроном, который совершает работу выхода из вещества А и у него остается энергия .

Красная граница, следовательно, определяется из условия, что hν₀=А. Общее число фотоэлектронов n, вылетающих за единицу времени пропорционально числу фотонов n′, падающих за то же время на поверхность вещества, а , где Е – энергетическая освещенность пропорциональная интенсивности, что объясняет третий закон.

Фототок прекратится если на электроды подать задерживающую разность потенциалов U₀ при которой .

В этом случае уравнение Эйнштейна перепишется в вид

eu₀=hν–hν₀=h (ν– ν₀)                                           (2)

Таким образом, если известны ν и ν₀, то определив из опыта величину U₀, можно вычислить постоянную Планка

h=eu₀/(ν– ν₀)                                             (3)

В кристаллических полупроводниках и диэлектриках наблюдается внутренний фотоэффект, состоящий в том, что под действием света увеличивается электропроводность этих веществ за счет возрастания в них числа свободных носителей тока. Это явление еще называют фотопроводимостью.

В неоднородных полупроводниках наблюдается под действием света образование разности потенциалов (фото-эдс). Это явление называется фотогальваническим эффектом. Фотогальванические элементы нашли широкое использование для преобразования солнечной энергии в электрическую.

В настоящее время на основе внешнего и внутреннего фотоэффекта создано множество различных приборов для регистрации излучений и в виде источников энергии (солнечные батареи).

На внешнем фотоэффекте работают широко распространенные приборы: фотоэлектронные умножители (ФЭУ), электронно-оптические преобразователи (ЭОП), которые преобразовывают инфракрасное излучение в видимое (приборы ночного видения) и много других.

Эффект Комптона

Исследование рассеяния рентгеновских лучей веществом привело Комтона в 1923 г. к открытию.

При рассеянии рентгеновских лучей легкими атомами наблюдается изменение длины волны. При этом оказалось, что изменение длины волны Δλ=λ′-λ не зависит от длины волны рассеиваемых рентгеновских лучей и от материала рассеивающего тела, но зависит от направления рассеяния. Зависимость Δλ от угла θ между направлением первичного пучка и направлением рассеянного света представляется формулой

,                                                   (4)

где к=0,0241 Å – постоянная, показывающая величину изменения длины волны при рассеянии под прямым углом.

Это явление объясняется квантовыми представлениями о рентгеновском излучении. Оно истолковывается как процесс столкновения рентгеновских фотонов с атомами вещества (правильнее с электронами). В легких атомах связь электрона с ядром слаба, и поэтому в первом приближении можно рассматривать рассеяние свободными электронами.

При теоретическом рассмотрении процесса исходят из законов сохранения энергии и импульса, при этом считается, что столкновения фотона и электрона происходят по закону упругого удара. Кроме того необходимо принимать во внимание зависимость массы электрона от скорости.

И так, условие сохранения энергии имеет вид

hν+m₀c²=hν'+mc²,                                                                                             (5)

а условие сохранения импульса на основании рис. 1

.                              (6)

Равенство (5) перепишем в виде

m²c⁴=h²ν²+h²ν'²–2h²νν'+m₀²c⁴+2hm₀c²(ν–ν').

Вычтем из него второе равенство предварительно приведя к общему знаменателю, получим m²c²(c²–υ²)=m₀²c⁴–2h²νν'(1–cosθ)+2hm₀c²(ν–ν'). Так кaк m₀²c⁴=m²c²(c²–υ²), то получим равенство hνν'(1–cosθ)=m₀c²(ν–ν'). Вводя вместо ν длину волны λ, найдем  или

.                                (7)

Давление света

Впервые Максвелл, исходя из теории электромагнетизма, показал необходимость существования светового давления. Действительно, пусть на плоскую поверхность тела падает перпендикулярно к ней электромагнитная волна (рис. 2). Векторы  и  лежат в плоскости поверхности тела. Под действием силы  со стороны электрической составляющей положительный заряд начнет смещаться вдоль поверхности по направлению , а отрицательный – против. Со стороны магнитной составляющей  на движущиеся заряженные частицы действует сила пропорциональна , т.е. в конечном счете произведению, а она пропорциональна плотности электромагнитной энергии ω. Эта сила перпендикулярна  и  т.е. направлена внутрь тела. Плотность лучистой энергии можно выразить через освещенность Е, как, учитывая коэффициент отражения ρ можно записать световое давление в виде

                                             (8)

Впервые экспериментально световое давление измерил Лебедев с помощью крутильных весов (рис. 3). Свет направляется на крылышки вертушки, поворот которой измерялся по отражению от зеркальца, прикрепленного на вертушке. Когда свет направляется на блестящее крылышко, световое давление должно быть приблизительно в два раза больше чем при падении на зачерненное крылышко. Результаты, полученные Лебедевым в 1900 г., совпали с теоретическими с точностью до 20 %. Световое давление можно объяснить и с позиции квантовой теории.

Освещенность можно выразить через число фотонов, падающих на поверхность в 1м² за 1с равным N и его энергию hν, т.е. Е=Nhν. Так как каждый фотон обладает импульсом , то он сообщает поглощающей поверхности этот импульс, а отражающей поверхности , так как при отражении импульс фотона изменяется от  до . Итак, импульс, полученный поглощающей поверхностью за 1 с, 1 м², будет равен . Но импульс, сообщаемый за 1с 1м² поверхности, и есть давление на эту поверхность, следовательно, поглощающая поверхность испытывает давление , а отражающая . В общем случае, когда коэффициент отражения ρ, то из числа N фотонов поглощается (1–ρ)N и отражается ρN. Следовательно, сообщаемый поверхности импульс будет

,                        (9)

Что совпадает с формулой (8).

Фотохимическое действие света

Под действием света могут происходить самые разнообразные химические реакции. Световая энергия способна вызывать различные действия: вызывать фотосинтез, осуществлять реакцию полимеризации, а также образование простых молекул, произвести разложение полимерных и простых молекул на составные части. Например, разложение бромистого серебра на серебро и бром в процессе фотографирования, разложение в зеленых частях растений углекислоты и т.д.

Люди также интересуются этой лекцией: 10. Критерии выбора СУБД.

Особый интерес представляет действие ультрафиолетового излучения на ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Эксперименты показали, что интенсивность гибели бактерий зависит от длины волны света и соответствует спектру поглощения нуклеиновых кислот.

Сформулированы законы фотохимии. Первый закон – закон эквивалентности можно сформулировать следующим образом. Фотохимическая реакция может быть вызвана только поглощенным молекулой светом. Согласно второму закону поглощение света не обязательно заканчивается фотохимической реакцией, однако, если это происходит, то для химического изменения каждой молекулы требуется только один фотон. Математически этот закон выражается формулой

n=ηN,                                                       (10)

где N – число поглощенных фотонов, n – число молекул (атомов), претерпевших химическую реакцию, η – квантовый выход фотохимической реакции.

Энергия поглощенного света не всегда приводит к химической реакции. Перейдя во внутреннюю энергию возбуждения молекулы, может в результате люминесценции излучаться обратно, рассеиваться в виде тепла.