Образовака🌡️ Физика11 классКвантовая физика

Энергия фотона

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 200.

Из курса физики 11 класса известно, что электромагнитное излучение переносит энергию и существует не в виде непрерывного потока, а только в виде порций — квантов, которые называются фотонами. То есть каждый фотон несёт некоторую энергию. Рассмотрим, от чего зависит эта энергия, какие свойства фотона на неё влияют, приведём формулу энергии фотона.

Энергия излучения и фотоэффект

Идея о том, что свет переносит некоторую энергию, высказывалась ещё в античности. Однако строгие доказательства этого были получены лишь в XIX в. на основе электродинамики Максвелла. В соответствии с этой теорией электромагнитное поле обладает энергией, и его изменения — электромагнитные волны — переносят эту энергию.

В середине XIX в. был открыт фотоэффект, наиболее подробно изученный А. Столетовым.

Было установлено, что в результате облучения из катода выбиваются электроны, которые могут двигаться под действием внешнего поля. Были установлены законы фотоэффекта, гласящие, что:

фототок насыщения пропорционален световому потоку;
кинетическая энергия выбитых электронов зависит не от интенсивности облучения, а от его частоты;
существует некоторая минимальная частота облучения, ниже которой фотоэффект резко исчезает.

В рамках электродинамики Максвелла объяснить два последние закона было невозможно.

Теория фотоэффекта и энергия фотона

Теория, объясняющая законы фотоэффекта, была разработана в 1905 г. А. Эйнштейном на основе предположения М. Планка о том, что свет существует только в виде порций-квантов — фотонов. При этом энергия фотона прямо пропорциональна его частоте (используется обозначение $\nu$):

$$E=h\nu$$

Коэффициент $h$, входящий в эту формулу, называется постоянной Планка. Поскольку энергия в системе СИ измеряется в джоулях, а частота — в герцах, то размерность этой постоянной выражается в джоулях на герц или в джоуль-секундах.

Теория фотоэффекта хорошо объяснила второй и третий законы Столетова. Выбивание электронов из атомов происходит под действием энергии, передаваемой фотонами. Часть энергии фотона тратится на разрыв связи в атоме (работа выхода), а остаток превращается в кинетическую энергию выбитого электрона:

$$E=A_{вых}+{m_ev^2\over 2}$$

И поскольку энергия фотона зависит от частоты, то и кинетическая энергия выбитых электронов будет зависеть от частоты. При этом если энергия фотона будет меньше работы выхода, то электрон не будет выбит из атома, фотоэффект исчезнет. Возникает красная граница фотоэффекта.

Постоянная Планка, входящая в формулу энергии фотона, оказалась очень малой. Её величина равна:

$$h=6.63 \times 10^{-34}Дж \cdot с$$

Энергия отдельного фотона также очень мала. Например, для зелёного света, к которому человеческий глаз наиболее чувствителен, она составляет около $4 \times 10^{-19}$ Дж или 2,5 эВ.

Рис. 3. Энергии фотонов различных частот.

Что мы узнали?

Фотон — это квант электромагнитного поля, энергия которого пропорциональна частоте. Коэффициент пропорциональности в формуле энергии фотона называется постоянной Планка. Энергия отдельного фотона очень невелика и для видимого света составляет единицы электронвольт.