Онлайн-урок №28 "Основы квантовой теории. Фотоэффект."

Раздел: КВАНТОВАЯ ФИЗИКА. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Тема: Квантовая физика

Корпускулярно-волновой дуализм – принцип, согласно которому любое тело в природе обладает одновременно свойствами частиц (корпускул) и волн. Зачастую этот принцип рассматривают на примере электромагнитных волн, которые проявляют себя в одних условиях, как волны, а в других, как частицы (корпускулы).
Замечание. Корпускулярные свойства света были подтверждены при исследовании явления фотоэффекта. Открыл фотоэффект Г. Герц, первые его полноценные исследования провел А.Г. Столетов, а объяснил с точки зрения квантовой физики А. Эйнштейн.
Гипотеза Планка. Энергия электромагнитного излучения передается не непрерывно, а отдельными порциями, которые называют квантами. Носителями квантов этой энергии являются условные элементарные частицы – фотоны.
 – квант энергии фотона, Дж
Где ν – частота излучения, Гц
 – постоянная Планка
 – импульс фотона, (кг∙м)/с
Основные свойства фотона:
1) Не имеет заряда;
2) Имеет массу только в движении, масса покоя ;
3) Передает энергию и импульс.
Замечание. Поскольку электромагнитная волна (свет) действует на освещенные поверхности (передает импульс), то она оказывает и давление на поверхности, его назвали световым давлением (было открыто П.Н. Лебедевым).
Воздействие света на поверхности с различными коэффициентами отражения n: 
1) Черная. Свет не отражается (поглощается), как при абсолютно неупругом ударе, ;
2) Зеркальная (белая). Свет полностью отражается, как при абсолютно упругом ударе, . На зеркальную поверхность свет действует в два раза сильнее, чем на черную. 

 – cила светового давления, Н
Где  - скорость света в вакууме
α – угол падения света на поверхность, град или рад
– мощность излучения источника ЭМВ, как правило, лазера, Вт
 – количество фотонов, испускаемых за время t, ед 
Замечание. Световое давление максимально при α=90°.
Определение. Фотоэффект – явление испускания электронов из вещества под действием электромагнитного излучения.
Замечание. Классический эксперимент по исследованию фотоэффекта проводился А.Г. Столетовым при облучении цинковой пластинки ультрафиолетовым излучением. 

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:


Где  – работа выхода электрона из вещества (табл.), Дж
 – максимальная кинетическая энергия электрона, Дж
 кг – масса электрона
 – максимальная скорость электрона, м/с
Замечание. Часто для измерения энергий в микромире используется единица измерения электронвольт: .
Основные этапы эксперимента Столетова:
1) На катод и анод подается напряжение;
2) Цинковый катод облучается ультрафиолетовым излучением;
3) В результате фотоэффекта с катода вырываются фотоэлектроны и напряжением разгоняются в сторону анода, амперметр при этом регистрирует фототок. Максимальный фототок при постоянном световом потоке назвали током насыщения ();
 – сила тока насыщения, А
Где  - количество фотоэлектронов, выбиваемых за время t, ед
 Кл – элементарный заряд
4) Если на катод и анод подать напряжение обратной полярности, т.е. которое будет тормозить фотоэлектроны, то фототок в цепи может прекратиться. Напряжение, при котором фотоэлектроны прилетают на анод с нулевой скоростью, называют задерживающим напряжением (). При его превышении фоток прекращается, т.е. фотоэлектроны не достигают анода;
 - уравнение Эйнштейна для фотоэффекта с использованием запирающего напряжения
5) В результате эксперимента была построена зависимость фототока от напряжения между катодом и анодом – вольтамперная характеристика фотоэффекта:

Законы фотоэффекта:
1) Количество фотоэлектронов, выбиваемых с поверхности вещества, пропорционально интенсивности падающего излучения (при постоянной частоте). Поскольку фототок насыщения определяется количеством выбиваемых фотоэлектронов, то он тоже пропорционален интенсивности ЭМИ;
2) Максимальная скорость фотоэлектронов (кинетическая энергия) растет при увеличении частоты падающего ЭМИ и не зависит от его интенсивности. Поскольку максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется запирающим напряжением, то оно так же растет при увеличении частоты ЭМИ;
3) Существует определенная минимальная частота  и соответствующая ей максимальная длина волны  ЭМИ, при которых фотоэффект прекращается в независимости от интенсивности излучения. Такую  назвали красной границей фотоэффекта.
 – условие красной границы фотоэффекта
Основные виды фотоэффекта и его применение:
1) Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) – это явление вылета электронов с поверхности вещества под воздействием ЭМИ (именно этот вид и описывался выше). На внешнем фотоэффекте основан принцип работы приборов по измерению освещенности;
2) Внутренний фотоэффект проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в веществе, а в следствие и в изменении проводимости вещества при облучении. На внутреннем фотоэффекте основан принцип работы фотоэлементов.