60. Фотоефект та його закони. Досліди О.Г.Столєтова. Пояснення законів фотоефекта на основі квантових уявлень. Фотон. Фотонна теорія світла. Рівняння Енштейна для фотоефекту. Дослід Боте.

Фотоефе?кт — явище «вибивання» світлом електронів із металів.

Щоб вивільнити електрон із металу йому необхідно передати енергію, більшу за роботу виходу.

Теоретичне пояснення явища дав Альберт Ейнштейн, за що отримав Нобелівську премію.

Припустивши, що світло і поглинається такими ж порціями, він зміг пояснити залежність швидкості вибитих електронів від довжини хвилі опромінення.

,

де ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу.

Робота Ейнштейна мала велике значення для розвитку ідей квантової механіки взагалі та квантової оптики зокрема.

Вперше прямий вплив світла на електрику виявив німецький фізик Генріх Герц під час дослідів з електроіскровими вібраторами. Герц встановив, що заряджений провідник, будучи освітлений ультрафіолетовим промінням, швидко втрачає свій заряд, а електрична іскра виникає в іскровому проміжку при меншій різниці потенціалів. Помічене явище було описане Герцом в його статтях 1887–1888 років, але залишено ним без пояснення, оскільки фізичну природу його він не знав. Не зуміли правильно пояснити дію світла на заряди і німецький фізик Гальвакс, і італійський фізик Риги, і англійський фізик Лодж, який, демонструючи в 1894 році досліди Герца в своїй знаменитій лекції «Творіння Герца», лише припустив хімічну природу явища. І це недивно: електрон буде відкритий Джозефом Джоном Томсоном лише в 1897 році, а без згадки про електрон пояснити фотоефект неможливо.

Проте 26 лютого 1888 року заслужено вважається одним з чудових днів в історії науки і техніки і, зокрема, телебачення. Цього дня великий російський учений Олександр Григорович Столетов (1839–1896) блискуче здійснив дослід, що наочно продемонстрував зовнішній фотоефект і показав істинну природу і характер впливу світла на електрику.

Перші досліди з світлом А. Г. Столетов проводив із звичним електроскопом. Освітлюючи електричною дугою Петрова цинкову пластину, заряджену негативно і сполучену з електроскопом, він знайшов, що заряд швидко зникав. Позитивний же заряд не знищувався.

Припустімо, що при опроміненні світлом з поверхні вилітають електрони. Тоді при освітлені негативної цинкової пластинки електрони вилітають і ще додатково відштовхуються електричним полем пластинки. Тому негативний заряд швидко зникає. Інша річ із позитивним зарядом. Якщо електрон і вилетів, то його з одного боку притягує електричне поле пластинки, з другого його виліт не зменшує, а збільшує позитивний заряд пластинки.

Цей ефект був названий А. Г. Столетовим активно-електричним розрядом. Електронна природа фотоефекту була показана в 1899 році Дж. Дж. Томсоном і в 1900 році Ленардом.

Для постановки точних дослідів Столетов створив експериментальний прилад, що став прообразом сучасних фотоелементів. Прилад складався з двох плоскопаралельних дисків, один з яких був сітчастий і пропускав світлове випромінювання.

До дисків підводилася напруга від 0 до 250 В, причому до суцільного диска підключався негативний полюс батареї. При освітленні суцільного диска ультрафіолетовим світлом включений у коло чутливий гальванометр відзначав протікання струму, незважаючи на наявність повітря між дисками. Продовжуючи досліди, А. Г. Столетов встановив залежність фотоструму від величини напруги батареї і інтенсивності світлового пучка. Подальші роботи привели до створення першого у світі фотоелемента, що був скляним балоном з кварцовим вікном для пропускання ультрафіолетового проміння. Всередину балона поміщалися електроди, один з яких був чутливий до світла, газ відкачувався. Сучасні фотоелементи відрізняються від першого лише конструкцією електродів і їх структурою.

Закони фотоефекту:

1) Кількість фотоелектронів прямо пропорційна інтенсивності світла.

2) Максимальна кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, кінетична енергія фотоелектронів прямо пропорційна частоті світла.

3) Для кожної речовини існують порогові значення частоти та довжини хвилі світла, які відповідають межі існування фотоефекту; світло з меншою частотою та більшою довжиною хвилі фотоефекту не викликає.

Оскільки це порогове значення завжди ближче до червоного світла, то йому дали назву червона межа фотоефекту.

Зрозуміло, що червона межа фотоефекту існує завдяки притягуванню електронів до ядер. Разом з тим, останній закон не можна пояснити на основі уявлення про світло як неперервні плавні коливання у вакуумі-ефірі: такі хвилі мали довго розгойдувати електрони до того моменту, коли швидкість останніх стала б достатньою для відриву від металу.

Повне пояснення фотоефекту належить Альберту Ейнштейну, який використав ідею німецького фізика М.Планка про те, що світло випромінюється і поширюється окремими порціями — квантами (або інша назва фотони). Для обчислення енергії кванта світла Макс Планк запропонував просту формулу ε= hν.

Ейнштейн висловив припущення, що фотоефект відбувається внаслідок поглинання фотоном одного кванта, а інші кванти не можуть брати участь у цьому процесі. Тоді енергія одного кванта світла (фотона) витрачається на подолання бар'єру (виконання роботи виходу, відриву від матеріалу) і надання кінетичної енергії фотоелектрону.

Це дозволило йому записати закон збереження енергії для процесу — наведене вище рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

Фото?н - квант електромагнітного поля, елементарна частинка, що є носієм електромагнітної взаємодії.

Закони ф-ту знайшли своє пояснення у фотонній теорії світла, основні положення якої такі:

1) Світло складається з “порцій” електромагнітних хвиль, що наз. фотонами (“світлоносними”).

2) Під час випромінювання чи поглинання світла фотони народжуються чи поглинаються як щось неподільне.

Такі процеси аналогічні процесу зіткнення фотону (який розглядається як частинка) і електрона атому, який випромінює або поглинає світло. Точно так і розсіяння світла являє собою процес зіткнення між фотоном і розсіювачем (наприклад, електроном).

3) Кожний фотон має енергію hn, де n - частота світла, що дорівнює , а h – універсальна постійна, що наз. сталою Планка h=6,62?10^-34 Дж?с.

Фотони переміщуються в просторі і зазнають дифракцію і поляризацію точно так, як електромагнітні хвилі з частотою n.

Таким чином, фотонна теорія додає нові властивості до звичайних властивостей світла (дифракції, поляризації). Вона не вимагає від нас відмови від старого уявлення про світло; вона вимагає лише поєднання концепції фотонів з концепцією електромагнітних хвиль. Фотонна теорія – це одна з частин загальної квантової теорії або квантової механіки, що лежить в основі атомної фізики.

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту має вигляд:

(1), де А= еDj - робота виходу електрону з металу.

Пояснення законів фотоефекту:

При зростанні інтенсивності світла зростає число фотонів, що падають на емітер за 1с, і пропорційно цьому зростає число фотоелектронів.

Кінетична енергія кожного фотоелектрона залежить тільки від hn, Dj і початкової кінетичної енергії цього електрона і не залежить від числа фотонів, що падають на емітер за 1с. Це безпосередньо слідує з (1).

З (1) видно, що U₀ є лінійною функцією від n і що нахил не повинен залежати від речовини емітера.

3) hn ? A

Таким чином, квантова теорія світла і основане на цій теорії рівняння Ейнштейна для фотоефекту прекрасно узгоджуються з дослідом.

Фотонна теорія дістала безпосереднє підтвердження в досліді Боте. Тонка металічна фольга Ф

розміщувалась між двома газарозрядними лічильниками Л. Фольга освітлювалась слабким пучком рентгенівських променів, під дією яких вона сама ставала джерелом рентгенівських променів. Внаслідок малої інтенсивності первинного пучка кількість квантів, що випромінювались фольгою, було невелике. При попаданні в нього рентгенівських променів лічильник спрацьовував і приводив у дію особливий механізм М, що робив відмітку на рухомій стрічці Л. Якби випромінювана енергія розповсюджувалась рівномірно в усі боки, як це слідує з хвильових уявлень, обидва лічильника повинні були б спрацьовувати одночасно і відмітки на стрічці знаходилися б одна проти іншої. В дійсності ж спостерігалося зовсім безладне розміщення відміток. Це можна було пояснити лише тим, що в окремих актах випромінювання виникають світлові частинки, що летять то в одному, то іншому напрямі.