Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Гипотеза М. Планка о квантах

В конце XIX века для объяснения экспериментально полученных законов излучения М. Планк выдвинул гипотезу дискретности процессов излучения и поглощения света.

Гипотеза Планка: излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а определёнными конечными порциями энергии – квантами, при этом значение порции энергии прямо пропорционально частоте излучения.

E = hν,

где h = 6,63∙10^–34 Дж∙с – постоянная Планка.

Квантом можно называть конечную порцию энергии любого электромагнитного излучения. Квант света ещё называют фотоном.

Фотоэффект

Фотоэффект – явление, связанное с освобождением электрона, связанного с ядром атома, под действием электромагнитного излучения. Различают два вида фотоэффекта.

Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) – вырывание электрона из вещества под действием электромагнитного излучения. Например: первоначально незаряженное тело заряжается положительно (либо первоначально отрицательно заряженное тело разряжается) под действием света.

Внутренний фотоэффект – увеличение концентрации свободных электронов в веществе под действием электромагнитного излучения. Например: уменьшение удельного сопротивления полупроводника под действием света.

Опыты А. Г. Столетова

Законы внешнего фотоэффекта

1. Ток насыщения (количество фотоэлектронов) прямо пропорционален интенсивности излучения.

2. Запирающее напряжение (максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов) линейно возрастает с увеличением частоты излучения и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – минимальная частота (максимальная длина волны), при которой ещё возможен фотоэффект.

Иногда выделяют и четвёртый закон: фотоэффект не обладает инертностью, то есть он немедленно возникает при попадании излучения на поверхность вещества. Второй и третий законы внешнего фотоэффекта показаны графически на следующем рисунке.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Теоретическое обоснование всех законов внешнего фотоэффекта дал в начале XX века А. Эйнштейн. Связанный электрон вещества способен поглотить энергию одного кванта излучения, одна часть которой тратится на совершение работы по выходу из вещества, а другая остаётся у электрона в виде его кинетической энергии:

Уравнение Эйнштейна – это форма записи закона сохранения энергии для фотоэффекта. Уравнение позволяет установить связь между работой выхода из вещества и красной границей фотоэффекта:

Фотон

Фотон – квант света – элементарная частица, обладающая следующими свойствами.

1. Фотон нейтрален, то есть не имеет электрического заряда.

2. Фотон не имеет массы покоя, то есть всегда движется со скоростью света.

c = λν.

3. Фотон обладает энергией и импульсом, как и любой квант электромагнитного излучения.

E = hν;

4. Фотон обладает релятивистской массой, которую можно найти и через энергию, и через импульс фотона.

E = mc²;

p = mc.