Лекция №27. Квантовые свойства электромагнитного излучения.

I.Фотоэффект.

Фотоэффект

Взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества.

Это явление открыто немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 году в опыте по проскакиванию искры между заряженными цинковыми шариками, если пространство освещать ультрафиолетовыми лучами.

В 1888-1890 годах русский учёный А.Г. Столетов провел подробное исследование по изучению действия света на заряженные тела. Схема опыта Столетова изображена на рисунке. Между двумя цинковыми пластинками, одна из которых выполнена в виде сетки, создавалась разность потенциалов с помощью батареи, ток регистрировался с помощью гальванометра Г.

Выводы из опытов Столетова:

1. Под действием света вещество теряет только отрицательный заряд.

2. Явление вызывается преимущественно ультрафиолетовыми лучами.

3. Величина испущенного телом заряда эквивалентна поглощенной им световой энергии (мощности падающего излучения). В 1898 году Ленард и Томсон, измерив, установили, что вылетающие частицы – электроны.

Электроны, вылетающие из вещества, называются фотоэлектронами, а само явление – внешним фотоэффектом.

Изобразим график зависимости тока через гальванометр от приложенного напряжения.

Если посмотреть вольтамперную характеристику, представленную на графике, то видно, что величина электрического тока, который называют фототок, нелинейно зависит от напряжения. Горизонтальная часть графика называетсяфототоком насыщения Jфн, величина которого зависит от светового потока Ф. При увеличении Ф величинаJфнувеличивается и математически может быть выражена:

J_фн = СФ,

где С – постоянная, зависящая от условий опыта.

При U= 0 величинаJ_ф≠ 0, что объясняется наличием кинетической энергии вылетевших из катода электронов. Приложив обратное напряжениеU₃(запирающее), можно прекратить фототок.

Как же объяснить появление электронов при облучении вещества светом?

В разделе “электричество” было показано, что для вырывания электрона из металла необходимо затратить определенную работу выхода:

А_вых= е,

где – контактный потенциал металла (потенциал выхода).

При термоэлектронной эмиссии электрон получает дополнительную энергию за счет повышенной интенсивности теплового движения.

Эта дополнительная энергия может быть передана и за счет облучения металла светом. Но здесь был отмечен эффект:

Эффект выхода электронов из металла зависит существенно от спектрального состава излучения.

Так, например:

1. Цезийиспускает электроны при облучении его монохроматическим светом, лежащим в любой части видимого спектра.

2. Калийиспускает электроны при облучении оранжевым светом< 6200 ангстрем (красный цвет не дает фотоэффекта).

3. Натрий– начиная с желтого.

4. Цинк– начиная с зеленого.

Такая зависимость излучения от длины волны >_maxили частотыν<ν_minне могла быть объяснена в рамках классической теории.

Объяснение механизма фотоэффекта было дано Эйнштейном в 1905г. Он предложил рассматривать световое излучение как поток квантов (фотонов), обладающих энергией:

ε = hν

Эта запись схожа с формулой Планка, но здесь более глубокий смысл.

Эйнштейн постулировал, что:

1. любое монохроматическое излучение частоты ν всегда состоит из целого числа фотонов, энергия каждого из которых равна hν. Такое излучениеиспускается и поглощаетсятолько порциями энергииhν;

2. при поглощении излучения веществом частоты ν, каждый из электронов может поглотить только один фотон, приобретая при этом только энергию hν.

Используя закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил уравнение для внешнего фотоэффекта:

(1)

Из квантовой теории фотоэффекта следует:

каждый акт поглощения фотона электроном происходит не зависимо от других. Увеличение интенсивности излучения означает увеличение числа подающих и поглощенных фотонов. Условия вырывания электронов и распределение фотоэлектронов по скоростям при этом не меняется.

Законы фотоэффекта.

1. Число фотоэлектронов, вырываемых с катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода:

I_н~ Ф(Е)

3. Число фотоэлектронов ежесекундно покидающих катод, пропорционально числу фотонов, поглощаемых веществом за единицу времени.

4. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

5. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – минимальная частота , при которой еще возможен внешний фотоэффект.

ν_крзависит: а) от химической природы вещества

б) от состояния поверхности.

6. Фотоэффект практически безинерционен.

	δ – коэффициент вторичной эмиссии. При 9 ступенях усиления, при U= 1000 – 1500 В, увеличение тока в 2·106раз. Размер ФЭУ сравним с размером радиолампы.