Основные теоретические сведения, примеры решения задач и контрольные задания

Опыты по интерференции, дифракции и поляризации свидетельствуют о волновой природе света. Вместе с тем было установлено, что свет излучается, движется в пространстве и поглощается в виде отдельных дискретных квантов электромагнитного излучения – фотонов. Все фотоны монохроматического света (и электромагнитного излучения вообще) частоты ν движутся со скоростью света с и имеют одинаковую энергию:

Е_ф= hν                                  (5.1)

и импульс

,                                         (5.2)

где h = 6,63^.10^-34 Дж^.с - постоянная Планка.

Здесь и далее с = 3^.10⁸ м/с - скорость света в вакууме.

С помощью квантовых представлений о свете оказалось возможным успешно истолковать закономерности явления фотоэффекта, тормозного рентгеновского излучения и эффекта Комптона.

Волновой и квантовый (корпускулярный) способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами. Квантовой оптикой рассматриваются явления, в которых проявляются квантовые свойства света.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется явление испускания электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый этими электронами, называется фототоком.

Схема экспериментальной установки, с помощью которой наблюдается фотоэффект, приведена на рис. 5.1. При облучении светом металлической пластины К (катода), помещенной внутри откачанного стеклянного баллона, из этой пластины вылетают электроны, которые, попадая на пластину В (анод), приводят к возникновению электрического тока в цепи.  Например, при фотоэффекте электрон проводимости металла, поглощая фотон, получает его энергию hν. Для выхода   из металла электрон должен совершить работу выхода А. Если hν>A, то электрон сможет совершить работу выхода и выйти из металла. Оставшаяся часть энергии кванта преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектрона. Поэтому закон сохранения энергии при фотоэффекте имеет вид:

Е_ф= hν = А + .                                         (5.3)

Это выражение называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

hν                                К                  e       В                            U                           Рис. 5.1. Схема опытов для наблюдения и изучения внешнего фотоэффекта

С помощью (5.3) можно объяснить все законы фотоэффекта. Так, максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, а следовательно, и его максимальная начальная скорость зависят от частоты света и работы выхода, но не зависят от интенсивности света. Далее, из этого же уравнения следует, что внешний фотоэффект возможен лишь при условии, что hν > A. Энергии фотона должно, по меньшей мере, хватить на то, чтобы вырвать электрон из металла. Наименьшая частота, при которой возможен фотоэффект hν_min=A. Отсюда граничная (максимальная) длина волны:

.

Красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода электрона, то есть от природы металла и состояния его поверхности.

Наконец, общее число N фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность металла, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за это время на поверхность, а значит, интенсивности света.

Из (5.3) можно определить максимально возможную кинетическую энергию T_max вылетевшего электрона (поскольку в любой реальной системе существуют потери энергии). Опытным путем найти Т можно, приложив для прекращения фототока между пластинами К и В запирающее (задерживающее) напряжение U _з,. Тогда T = eU _з, где e = 1,6^.10^-19 Кл- заряд электрона.