Гипотеза а.Эйнштейна о квантовании энергии излучения.

Существенным вкладом в развитие квантовой физики является работа Эйнштейна 1905г» Об эвристической точке зрения на возникновение и превращение света».

Формула М.Планка в теории теплового излучения дает среднее распределение энергии. Эйнштейн исследует флуктуации плотности энергии излучения, вычисляет вероятность отклонения от этого среднего при различных частотах и температурах. Он находит, что плотность энергии в области больших частот флуктуирует как плотность энергии газа независимых частиц, каждая из которых имеет энергию . Далее Эйнштейн формулирует гипотезу о природе излучения, смысл которой сводится к следующему:

Электромагнитное излучение не непрерывно, а состоит из квантов энергии . Оно испускается и поглощается веществом дискретно, квантами, и распространяется в виде неделимых квантов, локализованных в пространстве.

Позднее, в 1926г, частицы излучения были названы фотонами.

Таким образом, Эйнштейн распространил идею Планка о квантовании атомных осцилляторов на электромагнитное излучение. С этой точки зрения осциллятор Планка изменяет свою энергию, испуская или поглощая соответствующий квант света. Одновременно с дискретным процессом испускания Планк первоначально допускал, что излучение поглощается непрерывно. М.Планк, теоретик-классик, был воспитан на принципе

«Природа не терпит скачков». В течение многих лет он пытался вставить постоянную в рамки классической физики.

Идею квантов излучения Эйнштейн применил к теории фотоэффекта. В дальнейшем мы будем использовать название «фотон».

Объяснение закономерностей фотоэффекта.

Согласно Эйнштейну монохроматическое излучение состоит из локализованных в пространстве неделимых квантов – фотонов с энергией . Это означает, что при облучении фотокатода реализуется корпускулярный механизм передачи энергии электронам в металле.

Поскольку энергия поступает порциями , она может быть передана целиком одному электрону, который оказывается в состоянии вылететь из металла. Процесс поглощения фотона и передачи его энергии электрону имеет вероятностный характер. Если электрон, получивший энергию, находился на поверхности металла, и для преодоления потенциального барьера ему необходима энергия, равная работе выхода, то после вылета его энергия будет максимальной:

, или(3)

Уравнения (3) называют уравнениями Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Они следуют из закона сохранения энергии, если пренебречь потерями энергии при столкновениях на пути к поверхности. Эти уравнения объясняют все закономерности фотоэффекта, указанные в таблице 1. Из рис.2,б следует соотношение , а наклон прямой определяется постоянной Планка.

Подробные экспериментальные исследования фотоэффекта были выполнены только в период 1912 – 1916 годы американскими физиками Р.Милликеном, А.Комптоном, и другими.

Квантовая эффективность фотоэлектронной эмиссии определяется как отношение числа фотоэлектронов, испускаемых катодом, к числу падающих фотонов за секунду:. Учитывая, чтои, где- падающий на катод поток излучения, квантовая эффективность равна

(4)

Отношение называется спектральной фоточувствительностью катода (чувствительностью к монохроматическому излучению). Квантовая эффективность для щелочных металлов, таких как калий, натрий, равна, для большинства остальных металлов равна.

Если на катод падает всего лишь один фотон, то невозможно точно предсказать, будет ли он поглощен или нет. Можно только говорить о вероятности поглощения. При слабом потоке фотонов величина имеет смысл вероятности.