2015-07-14
3271
Гипотеза Планка, решившая задачу теплового излучения абсолютно черного тела, получила дальнейшее развитие при объяснении фотоэлектрического эффекта или фотоэффекта – явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. В 1887 году Г. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода ультрафиолетовыми лучами разряд между электродами происходит при меньшем напряжении. Это явление, как показали опыты В. Гальвакса (1888 г.) и А.Г. Столетова (1888–1890 гг.), обусловлено выбиванием из электрода под действием света отрицательных зарядов. К моменту открытия этого явления электрон еще не был известен. Лишь в 1898 году Д.Д. Томпсон и Ф. Леонард определили заряд частиц, испускаемых поверхностью твердых тел и жидкостей под действием света, и установили, что эти частицы являются электронами, которые в дальнейшем будем называть фотоэлектронами.
Исследования внешнего фотоэффекта у металлов показали, что результаты эксперимента зависят не только от химической природы металла, но и от состояния его поверхности. Даже ничтожные загрязнения поверхности металла существенно влияют на эмиссию (испускание) электронов под действием света. Поэтому для изучения фотоэффекта пользуются вакуумной трубкой.
|
|
|
Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рисунке 2.1. Два электрода (катод К из исследуемого материала и анод А, в качестве которого Столетов применял металлическую сетку) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое стекло), измеряется включенным в цепь миллиамперметром.
Вольт-амперные характеристики фотоэффекта, т.е. зависимости фототока I, образуемого потоком электронов, от напряжения, приведены на рис. 2.2. Такие зависимости силы фототока 
от напряжения 
, соответствуют двум различным значениям светового потока, причем 
. Частота света в обоих случаях одинакова.
По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями.
|
, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода.
Из рисунка следует, при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью V, а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U з. При U = U з ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью V max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,
|
|
|
(2.1)
т.е. по задерживающему напряжению U з, можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектрона.
При изучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов при разных частотах падающего на катод излучения и разных энергетических освещенностях катода и обобщении полученных данных были установлены три закона внешнего фотоэффекта:
1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила тока насыщения пропорциональнаосвещенности катода).
2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.
3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν 0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.
Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны, в металле возникают колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл, – тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого электрона из металла должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, т.к. с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта. Т.к., по волновой теории, энергия, передаваемая электрону, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит третьему закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория фотоэффекта не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.
5. Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотона.
В современной трактовке гипотеза квантов утверждает, что энергия ε колебаний атома или молекулы может быть равна h ν, 2 h ν, 3 h ν и т.д., но не существует колебаний с энергией в промежутке между двумя последовательными целыми, кратными h ν. Это означает, что энергия не непрерывна, как полагали на протяжении столетий, а квантуется, т.е. существует лишь в строго определенных дискретных порциях. Наименьшая порция h ν называется квантом энергии. Гипотезу квантов можно сформулировать и как утверждение о том, что на атомно-молекулярном уровне колебания происходят не с любыми амплитудами. Допустимые значения амплитуды связаны с частотой колебания ν. В 1905 г. Эйнштейн выдвинул смелую идею, обобщавшую гипотезу квантов, и положил ее в основу новой теории света (квантовой теории фотоэффекта).
Для объяснения законов фотоэффекта А.Эйнштейн развил идеи Планка о квантовом характере теплового излучения. Он предположил, что свет не только излучается отдельными квантами, но и распространяется и поглощается веществом в виде квантов энергии. В связи с этим распространение электромагнитного излучения рассматривается уже не как непрерывный волновой процесс, а как поток дискретных квантов, движущихся в вакууме со скоростью
|
|
|
света с. Эти кванты электромагнитного излучения были названы фотонами (1926).
Фотоны как квазичастицы света обладают не только энергией 
(квант энергии), но и массой. Массу фотона можно определить с помощью выражения для энергии микрочастицы в релятивистской механике: 
.
Следовательно,
, где 
-скорость света.
Введенное понятие массы фотона существенно отличается от понятия массы для обычных микрочастиц. Фотон не обладает массой покоя, т.е. для него 
. Если бы масса 
фотона была отличной от нуля, то из формулы 
для релятивистской массы при 
мы получили бы, что 
, т.к. при знаменатель обращается в нуль. Отсюда следует, что масса фотона равна нулю.
Импульс фотона определяется выражением:
. (2.3)
Он может быть записан через волновой вектор 
(
-единичный вектор нормали к фронту волны), т.е. 
, (2.4)
где 
(«аш» с чертой).
Наличие у фотона импульса экспериментально проявляется в том, что свет оказывает давление на тела. Формулу для светового давления можно получить, исходя из квантовых свойств света.
В соотношениях для энергии релятивистской частицы 
и импульса 
заложена суть корпускулярно-волнового дуализма, так как, с одной стороны, корпускулярные свойства излучения характеризуются энергией 
и импульсом 
, с другой стороны, волновые свойства излучения - частотой 
и волновым вектором 
.
Человек не в состоянии создать образ фотона, являющийся одновременно и частицей и волной. Поэтому при изучении законов микромира не следует доверять своему воображению и пытаться представить себе картинку происходящего явления, как это делается при рассмотрении явлений макромира. Рассматривая процессы микромира, следует полагаться лишь на результаты опытов и экспериментов.
