Какие факты свидетельствуют о наличии света корпускулярных свойств
Глава 11. Световые кванты
Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе законов электродинамики Максвелла, согласно которым свет — это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались безрезультатными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при достаточно малой длине волны свет вырывает электроны.
Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.
Энергия Е каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте:
Е = hν, (11.1)
где h — постоянная Планка.
Из того, что свет излучается порциями, еще не вытекает вывода о прерывистости структуры самого света. Ведь и минеральную воду продают в бутылках, но отсюда не следует, что вода состоит из неделимых частей.
Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии Е = hν сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.
Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии. Энергия порции света hν идет на совершение работы выхода А и на сообщение электрону кинетической энергии.
Следовательно,
Работа выхода — это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Уравнение (11.2) объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии hν в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла. Скорость же электронов υ согласно формуле (11.2) определяется только частотой света ν и работой выхода А, зависящей от типа металла и состояния его поверхности. От интенсивности света скорость не зависит.
Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота v света больше некоторого минимального значения vmin. Ведь, чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы:
hν > А.
Предельную частоту νmin и предельную длину волны λmах называют красной границей фотоэффекта. Они выражаются так:
где λmах(λкр) — максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. Это название появилось по аналогии со световыми волнами, так как максимальная длина волны видимого света соответствует красному цвету.
Работа выхода А зависит от рода вещества. Поэтому и предельная частота vmin фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна.
Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах волн фотоэффекта нет.
Для цинка красной границе соответствует длина волны λmах = 3,7 • 10-7 м (ультрафиолетовое излучение).
Именно этим объясняется опыт по прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовые лучи. Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка. У щелочных металлов работа выхода, напротив, меньше, а длина волны λmахтах, соответствующая красной границе, больше. Так, для натрия λmах = 6,8 • 10-7 м.
Пользуясь уравнением Эйнштейна (11.2), можно найти постоянную Планка h. Для этого нужно экспериментально определить частоту света ν, работу выхода А и измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Подобные измерения и расчеты дают h = 6,63 • 10-34 Дж • с. Точно такое же значение было найдено и самим Планком при теоретическом изучении совершенно другого явления — теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полученных различными методами, дополнительно подтверждает правильность предположения о прерывистом характере излучения и поглощения света веществом.
Уравнение Эйнштейна (11.2), несмотря на его кажущуюся простоту, объясняет основные закономерности фотоэффекта. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за работы по теории фотоэффекта.
Вопросы к параграфу
1. Какие факты свидетельствуют о наличии у света корпускулярных свойств?
2. Что такое красная граница фотоэффекта?
Естествознание, 11 класс
Урок 18. Корпускулярные свойства света. Приборы, использующие корпускулярные свойства света
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- какова роль знаний о корпускулярных свойствах света для объяснения принципа действия оптических приборов;
Глоссарий по теме:
Внешний фотоэффект – испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения с поверхности металла.
Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.
Вакуумный фотоэлемент – прибор, преобразующий переменный световой поток в переменный электрический ток.
Фоторезистор – резистор с переменным под действием света сопротивлением.
Солнечные фотопреобразователи – приборы вырабатывающие электрический ток под действием света.
Фоточувствительные приборы с зарядовой связью – приборы в которых под действием света накапливается электрический заряд, который потом считывается и преобразуется в электрический сигнал.
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
- Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 98-99.
- Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.
- https://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/Квантовая%20оптика.%20Атомная%20и%20ядерная%20физика.%20Физика%20элементарных%20частиц/02-1.htm
- https://mirznanii.com/a/322112/fotoeffekt
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Из курса физики вы знакомы с явлением фотоэффекта. Это явление было открыто немецким физиком Генрихом Герцем и независимо от него русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Также немаловажную роль в изучении фотоэффекта принадлежит Альберту Эйнштейну.
Выделяют внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект.
Первый прибор, в основе работы которого лежит внешний фотоэффект – это вакуумный фотоэлемент, который исторически был первым фотодатчиком.
Вакуумный фотоэлемент представляет собой колбу с откаченным воздухом, внутри которой находятся два электрода. Анод – это петля или диск в центре колбы для улавливания фотоэлектронов, а катод – металлическое напыление тонким слоем на стенке колбы. В чём же заключается принцип действия?
В соответствии с фотоэффектом сила тока, создаваемая выбитыми из металла электронами, пропорциональна интенсивности падающего излучения, таким образом, переменный световой поток превращается в переменный электрический ток. Недостатком такого типа элемента являются большие габариты – из-за этого они почти не используются. Но выбрав материал катода с красной границей фотоэффекта в области UV-излучения можно получить прибор, реагирующий только на эти волны и создающий минимальный шум — датчики UV- излучения для пожарных извещателей.
Логическим продолжением вакуумных фотоэлементов являются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Или квантовые усилители света. Они предназначены для регистрации очень слабого света, они могут регистрировать даже отдельные фотоны. Используются для регистрации элементарных частиц и в приборах ночного видения (1 ФЭУ – 1 пиксель).
Фотоэлементы используют в качестве датчиков в разных устройствах.
Комбинация фотоэлемента с реле используется в турникетах метро. Турникет закрывается, когда прерывается световой поток.
Подобные автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне. С помощью фотоэлементов воспроизводится звук, записанный на кинопленке. Длительное время применяли внешний фотоэффект в телевидении. Электронно-лучевая трубка или кинескоп телевизора преобразовывала изображение в электрический сигнал.
В отличие от металлов в полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект. Под действием света электрон, поглотивший квант света не покидает кристаллическую решётку материала, а переходит в состояние с большей энергией, становится более свободным, и может двигаться по кристаллу, создавая электрический ток.
Внутренний фотоэффект нашёл ещё большее применение, чем внешний.
Во-первых, фоторезисторы, в которых под действием света происходит изменение электрического сопротивления, используются в качестве датчиков, так же, как и фотоэлементы, но имеют значительно меньший размер.
Во вторых, они имеют низкую стоимость и чаще применяются как датчики освещения.
Во-вторых, внутренний фотоэффект применяется в солнечных фотопреобразователях, вырабатывающих электрический ток под действием света. Эти устройства работают в солнечных батареях.
Также есть приборы, которые не только вырабатывают, но и накапливают электрический заряд. Такие приборы называются – фоточувствительные приборы с зарядовой связью.
Совокупность из таких приборов на одном кристалле образует ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрицу. Каждый из этого множества элементов отвечает за преобразование света в электрический сигнал. Прибор имеет малые размеры и малое потребление энергии. В настоящее время ПЗС-матрицы применяются в фотоаппаратах, видеокамерах, мобильных телефонах. В заключении урока остановимся ещё на одном устройстве, использующем квантовые свойства света.
Это оптический квантовый генератор или лазер. Вынужденное излучение происходит в результате квантового перехода с более высокого энергетического уровня на более низкий. Подробно о лазерном излучении и применении лазеров вы узнаете на следующем уроке.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Текст задания 1: К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.
Тип фотоэффекта | Определение |
Внешний | Явление, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов. |
Внутренний | возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). |
Вентильный | испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. |
Многофотонный | это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. |
Правильный вариант:
Вид фотоэффекта | определение |
Внешний | испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. |
Внутренний | это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. |
Вентильный | возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). |
Многофотонный | явление, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов. |
Текст задания 2.:
Вставьте пропущенные слова, выбирая из списка правильные ответы:
Вакуумный фотоэлемент – прибор, преобразующий переменный ___________ в переменный ____________.
Варианты ответов:
Импульс; электрический ток; световой поток; поток интенсивности.
Правильный вариант: световой поток; электрический ток.
Фотоны Эйнштейна и доказательство их реальности
Когда утвердилась теория электромагнитного поля Максвелла, обнаружились световые явления, которые не могли быть объяснены с ее помощью. Трудности, возникшие в распределении энергии по спектру теплового излучения и получившие название «ультрафиолетовой катастрофы», были устранены только введением дискретности излучаемой энергии: Е = hv, гипотезы квантов света. Для объяснения законов фотоэффекта пришлось расширить гипотезу Планка.
Явление фотоэффекта впервые наблюдал Г. Герц (1887) и исследовали А. Г. Столетов, В.Галльвакс и Ф.Ленард. В 1902 г. был обнаружен нижний предел частоты света, до которого ток не появляется и начиная с которого возрастала с увеличением частоты энергия освобожденных электронов. Законы фотоэффекта, полученные из опытов, показывали, что между пластинами возникает электрический ток, который сначала быстро растет, затем переходит к насыщению, причем фототок насыщения зависит только от мощности светового потока, падающего на пластину. Энергия испускаемых электронов определялась частотой падающего света и природой вещества, а не зависела от интенсивности поглощаемого излучения (от нее зависело лишь полное число электронов). Эти законы не соответствовали представлениям волновой теории света — волна не может выбивать электроны из катода. А. Эйнштейн приспособил идею Планка к объяснению этих законов.
Фотоэффект указывает на дискретное строение света, связанное с существованием квантов, — решил Эйнштейн. Назвав кванты электромагнитного излучения фотонами, он стал рассматривать световой поток как поток квантов с энергией Е = hv, падающих на пластинку. Энергия порции света затрачивается на совершение работы по вырыванию электрона и сообщению ему кинетической энергии. Если величина Е = hv меньше, чем работа выхода А, эффект не наступает; значит, со стороны больших волн существует предел, зависящий от облучаемого тела. Если же величина Е = hv больше этого предела, то энергия освобожденного электрона равна энергии кванта, уменьшенной на работу выхода. При этом скорость фотоэлектронов увеличивается с частотой падающего излучения и не зависит от его плотности. Красная граница фотоэффекта — определенная длина волны излучения, начиная с которой наблюдается ток, — связана с разной работой выхода фотоэлектрона из разных металлов. Частицы света в отличие от частиц электричества — электронов не одинаковы, а отличаются энергией, равной hv. Они рождаются при испускании света и исчезают при поглощении, т. е. в отличие от корпускул Ньютона обладают материальной сущностью.
Эйнштейн распространил дискретность не только на испускание и поглощение, но и на само излучение: «Мы должны предположить, что однородный свет состоит из зерен энергии… «световых квантов», т. е. небольших порций энергии, несущихся в пустом пространстве со скоростью света». Правоту выводов подтвердил Милликен, определив постоянную Планка h (1916).
В 1912 г. Эйнштейн, исходя из тех же соображений, установил основной фотохимический закон, согласно которому при всякой фотохимической реакции происходит сначала поглощение одного кванта света, а затем вызванное им превращение (возбуждение или ионизация с испусканием электрона) в одном атоме или молекуле.
Наблюдается явление, обратное явлению фотоэффекта, — возникает излучение из-за захвата электрона атомом или молекулой. Захват происходит в одном акте, появляется фотон, энергия которого равна кинетической энергии электрона (сложенной с работой выхода). В трубке Рентгена торможение электронов происходит на антикатоде во многих элементарных актах. Но наибольшая возможная частота всегда соответствует кинетической энергии электронов. Это утверждается в законе Дюане и Гунта (1915).
Эйнштейн, анализируя статистические закономерности излучения, кроме энергии фотона Е = hv, упоминал импульс фотона и подчеркивал, что он важен, несмотря на свою малую величину. В 1923 г. американский физик А.Комптон показал, что при рассеянии легкими элементами жестких рентгеновских лучей в рассеянном излучении появляются лучи с измененной длиной волны, которая зависит от угла рассеяния (рис. 5.9). Этот эффект (разница частот излучения) не мог быть объяснен в классической теории и легко объяснялся в квантовой, построенной независимо П. Дебаем и А. Комптоном. Она является по существу применением законов сохранения энергии и импульса к взаимодействию между квантом света и свободным электроном. После удара часть энергии и импульса кванта переходит к электрону, а фотон летит дальше с другой частотой (уменьшенной энергией) и в другом направлении. Эти представления подтвердились опытами.
Закон сохранения энергии
закон сохранения импульса — частота падающих
рентгеновских лучей, — энергия покоящегося электрона, v — частота
рассеянных рентгеновских лучей, — отношение скорости электрона
после соударения с фотон рентгеновского излучения к скорости света с.
Из этих уравнений можно определить Угол
есть угол между направлениями первоначального и рассеянного рентгеновского излучений. Эффект Комптона являлся прямым подтверждением гипотезы световых квантов.
Из трех констант можно составить комбинацию, имеющую
размерность длины , называемую комптоновской длиной волны,
которая равна 2,42 • 10-12 м. Зависимость изменения длины волны фотона от угла рассеяния можно записать так:
Итак, квантовые свойства фотона проявляются в фотоэффекте, основном фотохимическом законе, в эффекте Комптона (в первых главную роль играет энергия фотона, в третьем — его импульс). Комптон и Дебай независимо указали, что основные особенности этих явлений объяснены, если рассматривать взаимодействие между электроном и электромагнитной волной как соударение электрона с фотоном. Тем самым была доказана справедливость квантовой теории света.
Открытие комбинационного рассеяния света (вжид-костях и кристаллах) подтвердило гипотезу световых квантов. Суть явления состоит в следующем. Кванты оптического диапазона поглощаются молекулами вещества и вызывают их возбуждение. Возбужденная молекула излучает квант с меньшей энергией, и вторичное излучение оказывается смещенным в красную сторону спектра. Но при поглощении фотона молекулой, которая в этот момент уже находится в возбужденном состоянии, вторичное излучение может иметь и большую энергию, т.е. будет смещено в фиолетовую сторону спектра. Комбинационное излучение объясняет многие природные явления и широко используется для изучения строения молекул, межмолекулярных взаимодействий, протекания химических реакций, поверхностных явлений, фазовых переходов.
В последние 30 лет в качестве источников света стали широко применять лазеры, и были получены просто фантастические по точности результаты. Если раньше нужно было подбирать случаи, когда линия комбинационного рассеяния приходилась на край полосы электронного поглощения, что удавалось редко, то с использованием лазерных источников, перестраиваемых по частоте, можно получить узкую спектральную линию в разных областях спектра: можно изучать резонансное рассеяние, ранее недоступную колебательно-вращательную тонкую структуру линий, которая весьма информативна.