Теория фотоэффекта Эйнштейна

Фотоэффект в современной технике играет огромную роль. Фактически все современные фото- и видеоматериалы используют это явление, механизм которого был раскрыт А. Эйнштейном. Поговорим кратко о теории фотоэффекта Эйнштейна.

Открытие фотоэффекта

Из курса физики 11 класса известно, что фотоэффект — это передача веществу энергии света или любого другого электромагнитного излучения с выбиванием из вещества электронов.

Фотоэффект может быть внешним — в этом случае электроны выходят во внешнее пространство, и внутренним — в этом случае электроны остаются в веществе, но имеют более высокий уровень энергии.

Первоначально был открыт внешний фотоэффект. В 1887г Г. Герц изучал закономерности возникновения искры в разрядниках и заметил, что искра возникает гораздо легче, если облучать разрядник ультрафиолетовым излучением.

Наиболее подробно в конце XIX в. фотоэффект изучался А. Столетовым. Были установлены законы фотоэффекта:

  • сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения;
  • максимальная кинетическая энергия выбиваемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности;
  • для каждого вещества существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается.

Дж. Томсон установил, что частицы, уносящие заряд из вещества при внешнем фотоэффекте — это электроны, открытые им незадолго до этого.

Открытие фотоэффекта

Рис. 1. Открытие фотоэффекта.

Теория фотоэффекта

Попытки описания фотоэффекта с точки зрения электродинамики Максвелла не привели к успеху. Энергия выбитых из вещества электронов не зависела от мощности облучения, но зависела от его частоты. Более того, если облучение имело частоту ниже некоторого значения (красной границы фотоэффекта), фотоэффект вообще исчезал, что было необъяснимо в рамках классических представлений.

Объяснить наблюдаемые закономерности удалось А. Эйнштейну в 1905 г. Для этого пришлось отказаться от максвелловского представления света как непрерывной электромагнитной волны.

В 1900 г. М. Планк разрабатывал теорию теплового излучения и пришел к выводу, что оно излучается не непрерывно, а порциями — квантами. Причем энергия кванта пропорциональна частоте:

$$E=h\nu$$,

где:

  • $\nu$ — частота кванта;
  • $h=6,63×10^{-34}$Дж×с — специальный коэффициент, названный постоянной Планка.

А. Эйнштейн развил эту гипотезу, утверждая, что и тепловое излучение, и свет не только испускается, но и поглощается и всегда существует только в виде таких квантов. Квант света (фотон) неделим, он может быть только целиком поглощен или целиком испущен.

Основные свойства фотона

Рис. 2. Основные свойства фотона.

Все эти утверждения позволяют объяснить закономерности фотоэффекта. Для того чтобы выбить электрон из атома, необходимо сообщить ему некоторую энергию, которая называется работой выхода $A_{вых}$, специфичную для каждого вещества. Если фотоны не обладают такой энергией, электроны не будут выбиты, фотоэффект исчезает:

$$h\nu > A_{вых}$$

А поскольку энергия фотона пропорциональна частоте, то фотоэффект исчезает, если частота света окажется менее некоторой минимальной частоты, которая называется «красной границей фотоэффекта»:

$$\nu_{кр.гр} = {A_{вых}\over h}$$

Фотоэффект возможен только для излучения с большей частотой. Часть энергии фотона будет затрачена на вырывание электрона из вещества, а остаток этой энергии будет сообщен электрону в виде кинетической энергии:

$$h\nu = A_{вых}+{m_эv^2\over 2}$$

Из этой формулы можно понять, почему энергия выбитых электронов не зависит от интенсивности облучения. Интенсивность облучения — это количество фотонов, падающих на вещество в единицу времени. Если ее увеличивать (при постоянной частоте излучения), то это приведет к увеличению числа выбитых электронов. Однако их кинетическая энергия при этом будет постоянной.

По измеренной красной границе фотоэффекта и энергии выбитых электронов можно найти значение постоянной Планка. Оно оказывается точно таким же, как установленное по спектрам теплового излучения. Совпадение значений физических постоянных, полученное различными методами, — это серьезное доказательство существования квантов электромагнитного излучения.

Экспериментальное определение постоянной Планка

Рис. 3. Экспериментальное определение постоянной Планка.

Что мы узнали?

Фотоэффект — это выбивание из вещества электронов под действием квантов электромагнитного излучения. Согласно теории фотоэффекта Эйнштейна, энергия кванта равна сумме работы выхода и кинетической энергии выбитых электронов, поэтому кинетическая энергия этих электронов зависит только от частоты излучения.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 10

    Передача энергии излучения веществу с выбиванием из вещества электронов называется:

Начать тест(новая вкладка)
Доска почёта
Чтобы попасть сюда - пройдите тест.
    Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.1. Всего получено оценок: 95.

Предметы