Квантова фізика

Фотоефектом називають випускання електронів речовиною під дією світла. Це явище було відкрито Г. Герцем в 1887 р Він зауважив, що при опроміненні ультрафіолетовим світлом негативно зарядженого електроскопа відбувається його розрядка. Позитивно заряджений електроскоп при опроміненні нерозряджаються. Це означає, що при падінні світла на металеву кульку електроскопа з нього віддаляється в навколишній простір негативний заряд.

Експериментальне дослідження фотоефекту проведено Столєтова. Він запропонував зручну вимірювальну схему, принцип якої зберігся до теперішнього часу. Всередину балона, в якому створений вакуум, поміщаються два електроди: фотокатод К, виготовлений з досліджуваного матеріалу, і анод. Світло направляється на фотокатод через кварцове вікно. Електрони, випущені внаслідок фотоефекту (так звані фотоелектрони), переміщаються під дією електричного поля до анода. Поява струму в ланцюзі реєструється гальванометром Г, напруга між фотокатодом і анодом змінюється потенціометром П, а вимірюється вольтметром V.

Численними експериментами встановлено такі основні закономірності фотоефекту:

1. Сила фотоструму залежить від прикладеної напруги при незмінному світловому потоці наступним чином. Зі збільшенням напруги фотострум спочатку зростає, досягаючи найбільшого значення, що отримав назву струму насичення. Сила фотоструму пропорційна падаючого світлового потоку.

2. Для кожного металу існує максимальна довжина хвилі світла (мінімальна частота), при якій ще відбувається вивільнення електронів. Якщо довжина хвилі перевищує цю так звану червону кордон фотоефекту, то емісія електронів відсутня навіть при порівняно великої інтенсивності облучающего світла.

3. Максимальна енергія фотоелектронів лінійно залежить від частоти зі падаючого світла і на залежить від його інтенсивності.

З точки зору класичних хвильових уявлень про природу випромінювання факт звільнення електронів з металу недивний. Падаюча на поверхню електромагнітна хвиля викликає вимушені коливання електронів в металі. Поглинаючи енергію хвилі, електрон може накопичити її в кількості, достатній для подолання електричних сил, що утримують електрон в металі (тобто зробити роботу виходу A). Але в цьому випадку енергія фотоелектронів повинна збільшуватися при зростанні інтенсивності падаючого світла. Але досвід показує, що енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла. Збільшення інтенсивності призводить лише до пропорційного збільшення числа фотоелектронів. Енергія ж окремого фотоелектрон залежить тільки від частоти падаючого світла.

У 1905 р Ейнштейн пояснив експериментальні закономірності фотоефекту на основі гіпотези світлових квантів (фотонів), суть якої полягає в наступному: падаюче випромінювання розглядається як потік фотонів, енергія яких пов'язана з частотою співвідношенням E = h # 957; (Де h = 6,63 · 10 -34 Дж · с - універсальна стала, вперше введена Планком). При поглинанні фотона його енергія цілком передається одному електрону, і якщо ця енергія достатня для того, щоб звільнити електрон від утримують його зв'язків, то він може вийти за межі поверхні металу.

За квантовим уявленням, повне число звільнених електронів пропорційно числу поглинених фотонів, тобто сила струму насичення пропорційна інтенсивності падаючої електромагнітної хвилі. Але енергія окремого фотоелектрон визначається енергією поглиненого фотона E = h # 957 ;. Звідси ясно, чому енергія фотоелектронів залежить від частоти падаючого світла і зовсім не залежить від його інтенсивності (тобто числа падаючих фотонів).

Придбана електроном енергія h # 957; частково витрачається на звільнення його з металу. Її надлишок залишається в формі кінетичної енергії звільненого електрона. Мінімальну енергію А. необхідну для звільнення електрона з металу, називають роботою виходу. Таким чином, для фотоелектронів, що мають максимальну швидкість, закон збереження енергії при поглинанні одного фотона (рівняння Ейнштейна) можна записати:

Очевидно, що при h # 957;