Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Гипотезы Эйнштейна о корпускулярно-волновых свойствах света

Явление вырывания электронов из вещества под действием света (электромагнитного излучения) называют внешним фотоэффектом.

А.Г.Столетов два года исследовал новое явление и установил следующие закономерности внешнего фотоэффекта:

1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально интенсивности светового потока Е (количеству энергии падающей со светом за единицу времени на единичную поверхность катода) и не зависит от частоты света.

2. Для каждого вещества существует определенная для данного вещества минимальная частота n₀, при которой еще возможен фотоэффект. Если частота света меньше минимальной частоты, то фотоэффект не происходит (n₀ называется «красной границей фотоэффекта», так как для многих металлов n₀ лежит в области красного света.).

3. Максимальная начальная скорость вырываемых электронов определяется частотой света и не зависит от интенсивности падающего светового потока

Закон сохpанения энергии позволяет написать пpостое соотношение, связывающее скоpость фотоэлектpонов с частотой поглощаемого света:

hv = А + E_k,

где hv - энергия, которую отдаёт фотон электрону вещества, А - работа выхода электрона из вещества, E_k = mv²/2 - кинетическая энергия освобождённого электрона. Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Теория Эйнштейна объясняет все законы Столетова.

Первый закон следует из того, что интенсивность света пропорциональна числу фотонов падающих за единицу времени на единичную поверхность, а каждый фотон вырывает примерно один электрон. Поэтому увеличение числа фотонов вызывает возрастание числа испущенных в единицу времени электронов. При этом в эксперименте с фотоэлементом, сила фототока пропорциональна интенсивности поглощённого света, то есть числу фотонов, способных выбить электроны из вещества.

Также становится ясно, что фотоэффект могут вызывать только фотоны соответствующие свету достаточно высокой частоты. Если h n < A, то энергии фотона не хватит на вырывание электронов и они из поверхности металла не испускаются. Это означает, что фотоэффект будет происходить только при h n > A, т.е. существует некоторая минимальная частота n₀ = A / h, при которой начинается это явление (или граничная частота фотоэффекта).

Из формулы Эйнштейна следует также третий закон Столетова, так как видно что, максимальная начальная скорость электронов зависит только от частоты n и материала катода (А). Увеличение интенсивности света вызывает лишь возрастание числа испущенных в единицу времени электронов, но не влияет на их энергию.

Опыты по экспериментальной проверке уравнения Эйнштейна были проведены Милликеном на установке подобной установке Столетова. Метод Милликена заключается в исследовании зависимости значения задерживающего потенциала U _з от частоты света и его интенсивности. Испущенные электроны с энергией E_k = h n - А движутся к аноду, если потенциал U _з такой, что eU _з > E_k, то ни один из электронов не может достичь коллектора и фототок исчезает, что позволяет измерить U _з. Согласно Эйнштейну, U _з = (h n - А)/ e и не зависит от интенсивности света. Эксперименты подтвердили все выводы теории Эйнштейна и позволили найти величину h, которая совпала с величиной постоянной Планка. Этот эксперимент подтвердил два предположения:

1. свет состоит из частиц – квантов;
2. энергия кванта равна h n.

Фотоэффект обнаруживают практически все вещества, даже такие, как лед и вода, если освещать их ультрафиолетовым светом. Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Они применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

До сих пор мы рассматривали случай, когда электрон получает энергию только от одного фотона. Такие процессы называются однофотонными. С изобретением лазеров были получены недостижимые ранее мощности световых пучков. Это дало возможность осуществить многофотонный фотоэффект, в ходе которого электрон, вылетающий из металла, получает энергию не от одного, а от N фотонов (N =2, 3, 4, 5, 6). Формула Эйнштейна в случае многофотонного фотоэффекта имеет вид:

Nhv = А + E_k.

Соответственно n₀ = A/hN и красная граница фотоэффекта смещается в сторону более коротких частот.

Существует также внутренний фотоэффект – это вызываемые электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате этого концентрация свободных носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к повышению электропроводности. На основе данного явления конструируются полупроводниковые фотоэлементы. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве источников тока в часах, микрокалькуляторах, в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях. С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

Эйнштейн выдвигает предположение, что с вет сам по себе имеет корпускулярную природу, что имеет смысл смотреть на свет не как на поток волн, а как на поток частиц. Эйнштейн, вводя фотоны, совсем не отбрасывал волновую теорию света. Это видно уже из самой гипотезы о фотонах - энергия фотона пропорциональна частоте света. Можно сказать так: свет - ни волны, ни корпускулы в подлинном смысле этих слов, а нечто такое, что в опыте проявляется иногда как волны (интерференция, дифракция, поляризация), а иногда как поток корпускул, фотонов (черное излучение, фотоэффект и др.). И той и другой картиной - волновой и корпускулярной - приходится пользоваться смотря по обстоятельствам. Для описания одних явлений более подходит волновая точка зрения на свет, для описания других - фотонная. К настоящему времени построена единая непротиворечивая теория (квантовая теория поля или квантовая электродинамика). Она находится за пределами нашего курса, и мы ее (по причине сложности) не будем рассматривать, а удовлетворимся изложенной наглядной точкой зрения.