Квантовая теория электромагнитного излучения. Фотоэффект

Зарождение квантовой теории В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам: Больше 200 лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения. Разработана МКТ. Подведен прочный фундамент под термодинамику. Завершена максвелловская теория электромагнетизма. Открыты фундаментальные законы сохранения.

Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Дж. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение эл/маг волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами за счет своей внутренней энергии. Это излучение ведет к уменьшению внутренней энергии и, следовательно, к снижению температуры тела, к его охлаждению.

Примером равновесного излучения является излучение внутри замкнутой оболочки, окруженной снаружи теплонепроницаемой изоляцией. Благодаря замкнутой оболочки такое тело, называемое абсолютно черным, поглощает всю падающую на него энергию.

Абсолютно черное тело – тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения любой частоты при произвольной температуры.

Австрийские физики И. Стефан и Л. Больцман экспериментально установили, что полная энергия Е, излучаемая за 1 с абсолютно черным телом с единицы поверхности, пропорциональна четвертой степени абсолютной темпёратуры Т. Этот закон был назван законом Стефана Больцмана. Он позволил вычислить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре.

Пример экспериментально полученных кривых распределения энергии в спектре излучения черного тела При заданном значении температуры Т интенсивность излучения черного тела максимальна и соответствует определенному значению длины волны. Немецкий физик В. Вин обнаружил, что при изменении температуры длина волны, на которую приходится Е mах, убывает. Используя законы термодинамики, В. Вин получил закон распределения энергии в спектре черного тела, который совпадал с экспериментальными результатами лишь в области больших частот.

В тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на опыте не наблюдалось. Затруднения в согласовании теории с результатами эксперимента получили название ультрафиолетовой катастрофы.

Гипотеза Планка (1900г.) Атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения

Фотоэффект Фотоэффектом называется испускание электронов с поверхности металла под действием света

Опыты 1.Цинковую пластину, соединенную с электроскопом, заряжают отрицательно и облучают ультрафиолетовым светом. Она быстро разряжается. Если же ее зарядить положительно, то заряд пластины не изменяется.

2. Ультрафиолетовые лучи, проходящие через сетчатый положительный электрод, попадают на отрицательно заряженную цинковую пластину и выбивают из нее электроны, которые устремляются к сетке, создавая фототок, регистрируемый гальвонометром.

Количественные закономерности фотоэффекта ( ) были установлены А.Г.Столетовым

Первый закон фотоэффекта Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на металл (катод). Следовательно, число электронов, выбиваемых за 1 с из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

Второй закон фотоэффекта Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.

Третий закон фотоэффекта Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, ниже которой фотоэффект не наблюдается. (Формула 221 учебник)

Четвертый закон Фотоэффект практически безынерционен (t=1 нс).

Объяснение фотоэффекта 1905 г. А.Эйнштейн – свет имеет прерывистую структуру. Объяснение дано согласно закону сохранения энергии.

Фотоэлементы и их применение

Внутренний фотоэффект Изменение концентрации носителей тока в веществе и как следствие изменение электропроводности данного вещества под действием света.

Вопросы 1. Какое физическое явление называют фотоэффектом? 2. Опишите принципиальную схему опыта Столетова. Что такое фототок и фотоэлектроны? З. Сформулируйте три закона фотоэффекта и объясните вольтамперную характеристику при фотоэффекте. Как она будет выглядеть при большей интенсивности света? 4. Запишите и объясните уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Какую величину называют работой выхода? 5. Объясните график зависимости кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света. Как рассчитывается красная граница фотоэффекта?

Задачи 1.Определить наибольшую длину света, при которой может происходить фотоэффект для пластины ( А вых =8,5 * Дж). 2. Определить наибольшую скорость электрона, вылетевшего из цезия, при освещении его светом с частотой 7.5 * Гц.