Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике Световые кванты. Квантовая гипотеза Планка была оценена по достоинству и получила дальнейшее развитие прежде всего в работах Эйнштейна. Он первый указал на то, что кроме теплового излучения существуют и другие явления, которые можно объяснить на основе квантовой гипотезы. В 1905 г. Эйнштейн выдвинул гипотезу световых квантов. Он предположил, что дискретный характер присущ не только процессам испускания и поглощения света, но и самому свету. Гипотеза о корпускулярных свойствах света позволила объяснить результаты экспериментов по фотоэффекту, совершенно непонятные с позиций классической электромагнитной теории. Рассмотрим этот вопрос более подробно. Многочисленными экспериментами были установлены три основные закономерности фотоэффекта: С точки зрения классических волновых представлений сам факт вырывания электронов из металла неудивителен, так как падающая электромагнитная волна вызывает вынужденные колебания электронов в металле. Электрон, поглощая энергию, может накопить ее в количестве, достаточном для преодоления потенциального барьера, удерживающего электрон в металле, т. е. для совершения работы выхода. Если это так, то энергия фотоэлектронов должна зависеть от интенсивности света. Увеличение же интенсивности света приводит лишь к возрастанию числа фотоэлектронов. Более того, резкое расхождение теории с опытом возникает при очень малой интенсивности света. По классической волновой теории фотоэффект в этих условиях должен протекать с заметным запаздыванием, поскольку требуется конечное время для накопления необходимой энергии. Однако опыт показывает, что фотоэффект появляется практически мгновенно, т.е. одно- временно с началом освещения (промежуток времени между началом освещения и появлением фототока не превышает $10^{-9} \mathrm{c}$ ). Все трудности отпадают, если фотоэффект рассматривать на основе гипотезы Эйнштейна о световых квантах. В соответствии с этой гипотезой падающее монохроматическое излучение рассматривается как поток световых квантов – фотонов, энергия $\varepsilon$ которых связана с частотой $\omega$ соотношением При поглощении фотона его энергия целиком передается одному электрону. Таким образом, электрон приобретает кинетическую энергию не постепенно, а мгновенно. Этим и объясняется безынерционность фотоэффекта. Формула Эйнштейна. Полученная электроном энергия $\hbar \omega$ частично затрачивается на освобождение из металла. А остальная часть переходит в кинетическую энергию вылетевшего из металла фотоэлектрона. Минимальную энергию, необходимую для освобождения электрона из металла, т. е. для преодоления потенциального барьера, называют работой выхода $A$. Следовательно, для фотоэлектронов с максимальной кинетической энергией $K_{\text {макс }}$ закон сохранения энергии в элементарном акте поглощения фотона можно записать так: Эта формула впервые была получена Эйнштейном и носит его имя – формула Эйнштейна. Отсюда следует с учетом того, что $\omega=2 \pi c / \lambda$, Из последней формулы видно, что соотношение между $\lambda$ и $A$ должно быть таким, чтобы величина, стоящая в скобках, была положительной. Вернемся к формуле Эйнштейна (1.3). Из нее автоматически вытекают следующие закономерности, находящиеся в строгом согласии с опытом. Частоте $\omega_{0}$ соответствует красная граница фотоэффекта, длина волны которой $\lambda_{\kappa}=2 \pi c / \omega_{0}$. Наличие такой границы совершенно непонятно с волновой точки зрения. Значения $\lambda_{\text {к }}$ для некоторых металлов приведены в табл. 1.1. В справочной литературе наблюдается довольно большой разброс в значениях $\lambda_{\mathrm{x}}$ для одних и тех же металлов. Поэтому к значениям $\lambda_{\mathrm{к}}$ в табл. 1.1 следует относиться с определенной осторожностью. Трудности эксперимента. Необходимо заметить, что получение точных результатов сильно затрудняют два обстоятельства: Это уравнение было подтверждено в тщательных опытах Милликена (1916) и последующих исследователей, создавших установку, в которой катод $K$ имел форму небольшого шарика, помещенного в центр сферической обкладки – анода $A$ (рис. 1.3). При такой конфигурации практически все электроны, вырванные светом из катода, попадают на анод и в отсутствие ускоряющей разности потенциалов. Кроме того, характеристика такого фотоэлемента $I(V)$ спадает к нулю достаточно круто, и значение $V_{1}$ (см. рис. 1.2) может быть определено с Рис. 1.3 хорошей точностью. Задерживающая разность потенциалов. Именно эта величина позволяет задержать фотоэлектроны, вылетающие из катода с максимальной кинетической энергией $K_{\text {макс }}$, что и приводит к прекращению фототока. Если бы катод и анод фотоэлемента были изготовлены из одного и того же металла, то контактная разность потенциалов отсутствовала бы, и определение задерживающей разности потенциалов сводилось бы просто к измерению внешнего задерживающего напряжения, т. е. показаниям вольтметра $V_{3}<0$ (рис. 1.4). Действительно, при $V=0$ все фотоэлектроны вне зависимости от начальной скорости достигали бы анода, и мы уже имели бы ток насыщения. как показано на рис. 1.5 , где $V_{1}<0$. Заметим, что, вообще гово$p я, V_{1}$ есть величина алгебраическая, она может иметь любой знак или равняться нулю. Если контактная разность потенциалов не тормозит, а ускоряет фотоэлектроны, т.е. имеет противоположный знак, то характеристика фотоэлемента $I(V)$ вместе с точкой 2 сместится влево. При этом выражение (1.4) для $V_{3}$ остается, как легко убедиться, прежним, только в нем оба показания вольтметра ( $V_{2}$ и $V_{1}$ ) могут оказаться отрицательными, но их разность по-прежнему будет положительной и равной $V_{3}$. Итак, определив $V_{3}$, мы тем самым находим максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов $-K_{\text {макс }}$ в формуле Эйнштейна (1.3): Отметим, что положение точки 2 на рис. 1.5, т. е. показание вольтметра $V=V_{2}$, зависит только от контактной разности потенциалов, положение же точки 1 , т. е. показание $V_{1}$ вольтметра – от частоты $\omega$ падающего света. Значит, и задерживающая разность потенциалов $V_{3}$ тоже зависит от $\omega$. Пример: При последовательном освещении катода светом с частотой $v=1,0 \cdot 10^{15}$ Гц и $v^{\prime}=1,4 \cdot 10^{15}$ Гц показания вольтметра, при которых фототок прекращался, оказались $V_{1}=-0,40 \mathrm{~B}$ и $V_{1}^{\prime}=-2,0$ В (см. цис. 1.5). Найдем постоянную Планка. Воспользовавшись уравнением Эйнштейна (I.3) и формулой (1.5), запишем: где $V_{1}^{\prime}$ и $V_{1}<0$. Чтобы избавиться от неизвестных $A$ и $V_{2}$, вычтем (2) из (1): Отсюда
|
1 |
Оглавление
|