Квантове пояснення фотоефекту

У 1905 році А. Ейнштейн запро­понував теорію, що давала пояснення відразу всій сукупності експери­ментальних фактів про фотоефект. Розвивши й поглибивши ідеї Планка, Ейнштейн дійшов висновку, що світло має не тільки випромінюватися й поглинатися, а також і поширюватися у вигляді окремих порцій енер­гії — квантів електромагнітного поля. Ці кванти інакше називаються фотонами.

Ейнштейн вважав, що під час взаємодії з речовиною фотон поводиться подібно до частинки та передає свою енергію не речовині в цілому й навіть не атомові, а тільки окремим електронам. Під час поглинання фотона ме­талом його енергія передається вільному електрону. Вона витрача­ється на звільнення електрона з металу — на роботу виходу й на надання йому кінетичної енергії. При цьому енергія фотона передається електро­нові в металі тільки цілком, а сам фотон перестає існувати.

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту має вигляд:, де — енергія поглиненого фотона; А — робота виходу електрона з металу; — кінетична енергія, з якою електрон залишає поверхню металу.

Рівняння Ейнштейна можна розглядати як вираження закону збере­ження енергії для одиничного акту взаємодії фотона з електроном.

Воно дозволяє пояснити всі закони фотоефекту. Кінетична енергія фо­тона може бути виражена так:

, а його швидкість

Звідси випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектрона, а отже, і його максимальна початкова швидкість залежать від частоти світла й не залежать від інтенсивності світла.

При рівності кінетична енергія й швидкість фотоелектрона до­рівнюють нулю. У цьому випадку електрон ніби «випадає» з металу з ну­льовою швидкістю. Має місце поріг фотоефекту:

або

Інтенсивність світла прямо пропорційна числу фотонів n_ф та енергії кожного з них . Кожний фотон поглинається повністю тільки одним електроном. Тому кількість вирваних світлом фотоелектронів, а отже, й фотострум насичення пропорційні n_ф, тобто інтенсивності світла (перший закон фотоефекту).

9. Зовнішній фотоефект

· Зовнішній фотоефект — випускання електронів із поверхні металів під дією світла.

Прилади, в основі принципу дії яких лежить явище фото­ефекту, називаються фотоелементами. У фотоелементах енергія світла ке­рує енергією електричного струму або перетворюється па неї.

Переваги фотоелементів: безінерційність, фотострум пропорційний світловому потоку.

Недоліки фотоелементів: слабкий струм, мала чутливість до довгохви­льового випромінювання, складність у виготовленні, не використовують­ся в колах змінного струму.

Застосування зовнішнього фотоефекту в техніці:

а) кіно (відтворення звуку) й телебачення;

б) фототелеграф, фото телефон;

в) фотометрія (вимірювання сили світла, яскравості, освітленості);

г) керування виробничими процесами.

10. Внутрішній фотоефект

· Внутрішній фотоефект — зміна концентрації носіїв струму в речови­ні та як наслідок зміна електропровідності даної речовини під дією світ­ла.

Цe явище використовується у фоторезисторах — приладах, опір яких залежить від освітленості. Крім того, сконструйовані напівпровідникові фотоелементи, які створюють ЕРС і безпосередньо перетворюють енергію випромінювання на енергію електричного струму.

Застосування внутрішнього фотоефекту в техніці:

а) при автоматичному керуванні електричними колами;

б) у колах змінного струму;

в) у фотоекспонометрах;

г) у сонячних батареях;

д) при оптичному запису і відтворенні звуку.

11. Пояснення тиску світла з погляду електромагнітної теорії

Припу­щення про існування світлового тиску було висловлене ще Дж. Кеплером. Максвелл, виходячи з хвильової теорії, пояснив природу світлового тиску та обчислив його величину. З точки зору електромагнітної теорії це яви­ще пояснюється так: під час падіння електромагнітної хвилі на метал під дією електричної складової () електрони металу будуть рухатися в на­прямі, протилежному векторові . Магнітна складова електромагнітно­го поля () діє на електрони, що рухаються, з силою Лоренца в напрямі, перпендикулярному до поверхні металу, тобто тисне на його поверхню. Це і с причиною світлового тиску.

12. Пояснення тиску світла з погляду квантової теорії світла

Під час пояснення тиску світла з погляду квантової теорії звертаємо увагу учнів на те, що фотони, потрапляючи на поверхню тіла, або поглинаються, пере­даючи імпульс речовині, або відбиваються, змінюючи свій імпульс на величину . Отже, тіло, яке поглинає світло, дістає імпульс сили , а тіло, яке цілком відбиває світло,— імпульс . Отже, потік випромінювання під час нормального падіння па ділянку S буде тиснути на неї з силою F, яка дорівнює добуткові або на число фотонів N, які падають на тіло за одну секунду.

Для поглинаючого тіла і .

Для відбиваючого тіла і .

13. Досліди П. М. Лебедєва

Передвіщене Дж. Максвеллом існування світлового тиску було експериментально підтверджене П. М. Лебедевим, який 1900 року виміряв тиск світла на тверді тіла, використовуючи чутли­ві крутильні ваги. Теорія й експеримент збіглися. Досліди Лебедєва — експериментальний доказ на підтвердження факту: фотони мають імпульс. Слід розповісти про видатну роль П. М. Лебедєва в розвитку вітчизняної та світової науки. Його роботи мають фундаментальне значення для су­часної науки. Використання таблиці й відеофільму допомагає пояснити схема будови й принцип дії установки, за допомогою якої П. М. Лебедє-ву вдалося вперше здійснити вимірювання світлового тиску спочатку на тверді тіла, а потім і па гази.

Закінчуємо урок розповіддю про виявлення тиску світла в природі, по­казуємо кадри, що зображують хвости комет, і даємо пояснення їхнього походження.

14. Хімічна дія світла як один із проявів взаємодії світла та речовини.

Фотохімічна реакція — розривання електронних зв'язків у молекулі ре­човини під час поглинання нею фотона, тобто поділ її на атоми під дією світла.

Наприклад, — початкова реакція розкладання моле­кули хлору на два атоми. Потім ідуть вторинні хімічні реакції, та відбува­ється ланцюгова хімічна реакція:

і т.д.

Виходячи з фотонної структури світла, А. Ейнштейн сформулював два закони фотохімії:

1)кожний поглинений речовиною фотон викликає перетворення одні­єї молекули;

2)молекула вступає у фотохімічну реакцію під дією фотона лише в тому випадку, коли енергія фотона не менша за певне значення, необхідне для розриву молекулярних зв'язків (енергія активації).

Дата добавления: 2014-01-07