Законы внешнего фотоэффекта.

В результате многочисленных опытов Столетов установил законы:

(1)При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Е_е катода).

(2)Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой v.

(3)Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта — минимальная частота v₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Для объяснения механизма фотоэффекта Эйнштейн предположил, что свет частотой vне только испускается отдельными квантами (согласно гипотезе Планка), но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых .

Кванты электромагнитного излучения, движущиеся со скоростью с распространения света в вакууме, называются фотонами.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

(79)

Это уравнение объясняет зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света (2й закон).

Предельная частота (или ), при которой кинетическая энергия фотоэлектронов становится равной нулю, и есть красная граница фотоэффекта (3й закон)

Другая форма записи уравнения Эйнштейна:

(80)

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов и фотосопротивлений (фоторезисторов) в фотоэкспонометрах, люксметрах и устройствах управления и автоматизации различных процессов, пультах дистанционного управления, а также полупроводниковых фотоэлектронных умножителей и солнечных батарей.

Масса и импульс фотона. Единство корпускулярных и волновых свойств света.

Используя соотношения , получаем выражение для энергии, массы и импульса фотона

(81)

Эти соотношения связывают квантовые (корпускулярные) характеристики фотона – массу, импульс и энергию – с волновой характеристикой света – его частотой.

Свет обладает одновременно волновыми свойствами, которые проявляются в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, и корпускулярными, которые проявляются в процессах взаимодействия света с веществом (испускания, поглощения, рассеяния).

Давление света.

Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление.

Пусть поток монохроматического излучения частоты v падает перпенди­кулярно поверхности. Если за 1с на 1м² поверхности тела падает N фотонов, то при коэффициенте отражения pсвета от поверхности тела отразится pN фотонов, а (1-p)Nфотонов — поглотится. Каждый поглощенный фотонпередает поверхности импульс ,а каждый отраженный фотон - .Давление света на поверхность равно импульсу, который передаютповерхности за 1с N фотонов:

(82)

Энергетическая освещенность поверхности: (энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени). Объемная плотность энергии излучения: . Отсюда:

(83)

Эффект Комптона.

Корпускулярные свойства света отчетливо проявляются в эффекте Комптона — упругом рассеянии коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и -излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны.

На рис. 22 изображёны импульсы падающего γ-фотона , рассеянного после столкновения с электроном и импульс электрона . Увеличение не зависит от длины волны Рис. 22. падающего излучения и природы рассеивающего вещества, а определяется только углом рассеяния :

(84)

где — длина волны рассеянного излучения, — комптоновская длина волны. При рассеянии на электроне: м. (85)

Эффект Комптона, излучение черного тела и фотоэффект служат доказательством квантовых(корпускулярных) представлений о свете.