А.Е. Тарасов - Конспект по спецразделам физики для РТФ (849605), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Ее решение стало возможным лишь благодаря революционнойквантовой гипотезе Планка.3.2.7. Фотоэффект и его видыГипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получилаподтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта – явления, открытиеи исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. В 1887году Г. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электродаультрафиолетовыми лучами разряд между электродами происходит при меньшемнапряжении. Это явление, как показали опыты В. Гальвакса (1888 г.) и А.Г.
Столетова(1888–1890 гг.), обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов изэлектрода. Электрон еще не был открыт. Лишь в 1898 году Дж.Дж. Томпсон и Ф. Леонард,измерив удельный заряд испускаемых телом частиц, установили, что это электроны.Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный и многофотонныйфотоэффект.Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом поддействием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердыхтелах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах имолекулах (фотоионизация).Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходыэлектронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободныебез вылета наружу.
В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается,что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности88полупроводника или диэлектрикаэлектродвижущей силы (ЭДС).приегоосвещении)иликвозникновениюВентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – этовозникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводниковили полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля).Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергиив электрическую.Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая(например, при использовании лазерных пучков).
При этом электрон, испускаемыйметаллом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученымА.Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена нарис. 3.2.6.Рис. 3.2.6. Принципиальная схемадля исследования фотоэффектаРис.
3.2.7. ВАХ фотоэффектаДва электрода (катод К из исследуемого материала и анод А, в качестве которогоСтолетов применял металлическую сетку) в вакуумной трубке подключены к батарее так,что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знакподаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катодамонохроматическим светом (через кварцевое стекло), измеряется включенным в цепьмиллиамперметром.В 1899 г. Дж. Дж.
Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбиваетиз вещества электроны.Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта – зависимость фототока I,образуемого потоком электронов, от напряжения, – приведена на рис. 3.2.7.89Такая зависимость соответствует двум различным энергетическим освещенностямкатода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототокпостепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологийхарактер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различнымискоростями.Максимальное значение фототока насыщенияопределяется таким значениемнапряжения U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с.Из ВАХ следует, при U = 0 фототок не исчезает.
Следовательно, электроны, выбитыеиз катода, обладают некоторой начальной скоростью υ, а значит и отличной от нулякинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Длятого, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающеенапряжение. Прини один из электронов, даже обладающий при вылете изкатода максимальной скоростью, не может преодолеть задерживающего поля идостигнуть анода. Следовательно,(3.2.12),т.е.
замерив задерживающее напряжение, можно определить максимальные значенияскорости и кинетической энергии фотоэлектрона.При изучении ВАХ разнообразных материалов при разных частотах падающего накатод излучения и разных энергетических освещенностях катода и обобщенииполученных данных были установлены три закона внешнего фотоэффекта.3.2.8. Законы внешнего фотоэффектаА.Г.
Столетов установил три закона фотоэффекта, не утратившие своего значения и внастоящее время. В современном виде законы внешнего фотоэффекта формулируютсяследующим образом:I.При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов,вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивностисвета(сила тока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Ee катода).II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическаяэнергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, аопределяется только его частотой ν.90III.
Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е.минимальная частотасвета (зависящая от химической природы вещества исостояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд недолжно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световойволны, в металле возникают колебания электронов, амплитуда которых (например, прирезонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл, – тогдаи наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого электрона из металладолжна была бы зависеть от интенсивности падающего света, т.к.
с увеличениемпоследней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречитII закону фотоэффекта. Т.к., по волновой теории, энергия, передаваемая электроном,пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большойинтенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, краснойграницы фотоэффекта не должно быть, что противоречит III закону фотоэффекта. Крометого, волновая теория фотоэффекта не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта,установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зренияволновой теории света.3.2.9.
Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотонаВ современной трактовке гипотеза квантов утверждает, что энергия E колебаний атомаили молекулы может быть равна hν, 2hν, 3hν и т.д., но не существует колебаний сэнергией в промежутке между двумя последовательными целыми, кратными. Этоозначает, что энергия не непрерывна, как полагали на протяжении столетий, аквантуется, т.е. существует лишь в строго определенных дискретных порциях.Наименьшая порцияназывается квантом энергии. Гипотезу квантов можносформулировать и как утверждение о том, что на атомно-молекулярном уровне колебанияпроисходят не с любыми амплитудами.
Допустимые значения амплитуды связаны счастотой колебания ν.В 1905 г. Эйнштейн выдвинул смелую идею, обобщавшую гипотезу квантов, иположил ее в основу новой теории света (квантовой теории фотоэффекта). Согласнотеории Эйнштейна, свет с частотой νне только испускается, как это предполагалПланк, но и распространяется и поглощается веществом отдельными порциями(квантами), энергия которых.
Таким образом, распространение света нужнорассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных впространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью распространениясвета в вакууме (с). Квант электромагнитного излучения получил название фотон.Как мы уже говорили, испускание электронов с поверхности металла под действиемпадающего на него излучения соответствует представлению о свете как обэлектромагнитной волне, т.к.
электрическое поле электромагнитной волны воздействуетна электроны в металле и вырывает некоторые из них. Но Эйнштейн обратил внимание нато, что предсказываемые волновой теорией и фотонной (квантовой корпускулярной)теорией света детали фотоэффекта существенно расходятся.Итак, мы можем измерить энергию вылетевшего электрона, исходя из волновой ифотонной теории. Чтобы ответить на вопрос, какая теория предпочтительней, рассмотримнекоторые детали фотоэффекта.91Начнем с волновой теории, и предположим, что пластина освещаетсямонохроматическимсветом.Световаяволна характеризуетсяпараметрами:интенсивностью и частотой (или длиной волны).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
