2 ОПР, Домашнє завдання з фізики на 29.10.15

Квантові властивості світла. Фотоефект.

Теоретичний матеріал знаходиться тут.

ФОТОЕЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ. ЗАКОНИ ФОТОЕФЕКТУ. КВАНТИ СВІТЛА. РІВНЯННЯ ФОТОЕФЕКТУ

Наприкінці XIX ст. фізика досягла вершини свого розквіту — вона спроможна була пояснити більшість явищ реального фізичного світу. Закономірності механічного руху успішно описувала класична механіка Ньютона, теплові явища і процеси докладно пояснювали молекулярно-кінетична теорія і термодинаміка, електромагнітна теорія Максвелла не залишила «білих плям» в електродинаміці і вичерпно пояснила поширення світла як електромагнітного випромінювання.

На чистому небосхилі класичної фізики було лише дві хмарки, які, однак, згодом викликали грозу. Це: 1) неузгодженість експериментальних результатів теплового випромінювання з теоретичним обґрунтуванням цих явищ; 2) неможливість пояснення деяких явищ мікросвіту, дослідження яких у той час активізувалися, з позицій класичних уявлень про будову речовини. Крім того, на початку XX ст. А. Ейнштейн створив теорію відносності, де дав універсальне тлумачення просторово-часових властивостей фізичного світу на підставі їх єдності й універсальності.

Сучасна фізика зароджувалася на межі XIX і XX ст. Вона виникала на фундаменті класичної фізики, але переглянулаїї основи. Теорія відносності пояснювала фізичні явища з позицій єдності простору і часу. Квантова фізика запропонувала розглядати природу взаємодії з погляду її дискретності, квантування

Наприкінці XIX — на початку XX ст. фізики отримали низку вагомих результатів, які спонукали їх переглянути основи класичної фізики і потребували іншого теоретичного обґрунтування та пояснення досліджених явищ. Це були досліди з вивчення залежності довжини хвилі випромінювання абсолютно чорного тіла від температури, виконані англійськими фізиками Дж. Релеєм і Дж. Джинсом; відкриття радіоактивності французьким ученим А. Беккерелем і спостереження А'-променів німецьким дослідником В. К. Рентгеном, названі згодом на його честь рентгенівськими; відкриття електрона англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном і фундаментальні досліди щодо будови атома, виконані Е. Резерфордом.

У 1900 р. німецький фізик Макс Планк, пояснюючи розподіл енергії теплового випромінювання, висунув гіпотезу, що енергія випромінюється не безперервно, а певними дискретними порціями — квантами. Він вважав, що енергія такого кванта пропорційна частоті випромінювання (є ~ v). Завдяки такому припущенню М. Планк отримав формулу розподілу енергії теплового випромінювання, яка узгоджувалася з експериментальними даними в усьому інтервалі температур — від низьких до високих.

Увівши коефіцієнт пропорційності h, названий сталою Планка, можна обчислити квант енергії: 

Стала Планка — це фундаментальна фізична константа, що дорівнює

h = 6,626176 · 10^-34Дж · с.

Гіпотеза М.Планка: теплове випромінювання здійснюється певними мінімальними порціями енергії — квантами. Квант енергії пропорційний частоті випромінювання: є = hv, де h — константа (стала Планка); v — частота випромінювання

Так на межі XIX і XX ст. зародилася сучасна фізика, яка поглибила розуміння суті фізичного світу й усунула протиріччя, що існували в класичній фізиці. Сучасну фізику інколи називають квантовою, підкреслюючи тим самим дискретний характер опису фізичних взаємодій і руху мікрочастинок.

ФОТОЕФЕКТ. РІВНЯННЯ ФОТОЕФЕКТУ

У 1887 році Г. Герц спостерігав явище, яке згодом стало поштовхом у розвитку квантових уявлень про природу світла. Під час опромінення ультрафіолетовим світлом негативно зарядженої пластинки відбувався сильніший електричний розряд, ніж за відсутності такого опромінення. Як з'ясувалося пізніше, це було проявом явища фотоефекту — виходу електронів з тіла в інше середовище або вакуум під дією електромагнітного випромінювання. Цей вид фотоефекту називають зовнішнім, або фотоелектронною емісією.

Фотоефект є результатом трьох послідовних процесів: поглинання фотона, внаслідок чого енергія одного електрона стає більшою за середню; руху цього електрона до поверхні тіла; виходу його за межі тіла в інше середовище через поверхню поділу.

У 1888—1889 р. це явище докладно вивчав російський учений О. Г. Столєтов (1839— 1896). Він виготовив конденсатор, одна з обкладок якого С була сітчастою, й увімкнув його в електричне коло з гальванометром (мал. 6.1).

Коли на негативно заряджену цинкову обкладку Р падає ультрафіолетове світло, у колі виникає струм, який фіксує гальванометр. Якщо джерело струму Е увімкнути протилежно (обкладку Р приєднати до позитивного полюса), то струм у колі не йтиме. За допомогою потенціометра R напругу на конденсаторі можна змінювати.

Вивчивши за допомогою такої установки залежність сили струму від частоти хвилі світла, його інтенсивності, інших характеристик випромінювання, О. Г. Столєтов установив три закони фотоефекту:

1) число електронів, що вилітають із поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання, пропорційне його інтенсивності;
У 1888 р. німецький фізик В.Гальвакс встановив, що під дією світла металева пластинка заряджається позитивно

2) для кожної речовини залежно від її температури і стану поверхні існує мінімальна частота світла VQ, за якої ще можливий зовнішній фотоефект;

3) максимальна кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти опромінення і не залежить від його інтенсивності.

При поясненні цих висновків на основі хвильової теорії виникли протиріччя між її положеннями й одержаними результатами. Це змусило вчених шукати інше тлумачення механізму поглинання світлового випромінювання. З цією метою А. Ейнштейн застосував квантові уявлення про природу світла і на їх основі вивів рівняння фотоефекту.

Як відомо, для того щоб електрон покинув тверде тіло або рідину, він має виконати роботу виходу A₀, тобто подолати енергетичний бар'єр взаємодії з атомами і молекулами, які утримують його всередині тіла. За квантовою теорією поглинання світла, це передавання фотоном усієї своєї енергії мікрочастинкам речовини. Отже, фотоефект може відбутися лише за умови, що фотон має енергію більшу за роботу виходу (hv > A₀); якщо ж hv < А₀, ТО фотоефект неможливий. Якщо енергія фотона, передана електрону внаслідок поглинання світла, більша за роботу виходу, то електрон набуває кінетичної енергії.

Мінімальну частоту v₀ (або максимальну довжину хвилі₀) випромінювання, яке ще викликає зовнішній фотоефект, називають червоною межею фотоефекту

Фотоелектрони — це електрони, вибиті з поверхні тіла внаслідок фотоефекту

Фізичний зміст роботи виходу в металів полягає в тому, що це мінімальна енергія, потрібна для виходу електрона з тіла у вакуум. Тому, крім хімічної природи металу, вона істотно залежить від стану поверхні тіла

За законом збереження енергії:

Це співвідношення називають рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту. За пояснення законів зовнішнього фотоефекту А. Ейнштейн у 1922 р. був удостоєний Нобелівської премії.

Отже, обгрунтування явища фотоефекту на основі квантових уявлень про природу світла стало переконливим доказом корпускулярних властивостей електромагнітного випромінювання і започаткувало розвиток квантової фізики.