Фотоэлектрический эффект. Квантовые свойства света. Корпускулярно- волновой дуализм света.

Гипотеза Планка, блестяще решившая за­дачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта — явления, открытие и исследование которо­го сыграло важную роль в становлении квантовой теории. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внеш­ним фотоэлектрическим эффектом (фото­эффектом) называется испускание элек­тронов веществом под действием элек­тромагнитного излучения. Внешний фото­эффект наблюдается в твердых, а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Фотоэф­фект обнаружен  Герцем, на­блюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением.

Первые фундаментальные исследова­ния фотоэффекта выполнены русским уче­ным А. Г. Столетовым. При изучении вольт-амперных харак­теристик разнообразных материалов при различных часто­тах падающего на катод излучения и раз­личных энергетических освещенностях ка­тода и обобщения полученных данных были установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

При фиксирован­ной частоте падающего света число фото­электронов, вырываемых из катода в еди­ницу времени, пропорционально интенсив­ности 

3) Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т. е. ми­нимальная частота n0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), при которой свет лю­бой интенсивности фотоэффекта не вызы­вает.

4) Фотоэффект безынерционен.

Явление фотоэффекта полностью не­объяснимо с позиций волновой теории света.

А. Эйнштейн. показал, что явле­ние фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предло­женной им квантовой теории фотоэффек­та. Согласно Эйнштейну, свет частотой ν не только испускается, как это предпола­гал Планк, но и распространя­ется в пространстве и поглощается ве­ществом отдельными порциями (кванта­ми), энергия которых Е0=hν. Эти кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.

По Эйнштейну, каждый квант погло­щается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности све­та (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фото­на с электроном происходит почти мгно­венно.

Энергия падающего фотона расходует­ся на совершение электроном работы вы­хода А из металла и на со­общение вылетевшему фотоэлектрону ки­нетической энергии mϑ2max/2. По закону сохранения энергии,

Фотон отличается от макроскопических тел и элементарных частиц (электрон, протон и т. п. могут существовать, двигаясь со скоростями, меньшими с, и даже покоясь)  тем, что он является элементарной частицей света, которая в любой среде движет­ся со скоростью света и не имеет массы покоя m0фотона = 0.Масса покоя - это масса, которой обладает частица при V =0, т.о. покоящихся фотонов не суще­ствует. Если свет остановить, то это означает, что энергия света поглотится веществом и света не буде

Таким образом: 1) масса фотона равна нулю; 2) фотон всегда движется со скоростью света с.

Надо иметь в виду, что фотоны движутся со скоростью с не только в вакууме, но и в веществе. «Замедление» света в веществе обусловлено тем, что при прохождении через вещество фотоны поглощаются атомами и вслед за тем испускаются вновь. Между актами поглощения и испускания проходит некоторое время, вследствие чего средняя скорость фотонов в веществе оказывается меньше с.

Движение любой классической частицы характеризуется импульсом , так как фотон движется только со скоростью света с, то его импульс(2)

Из выражения (2) следует, что свет представляет собой сложное явление, сочетающее в себе свойства электромагнитной волны и свойства потока частиц. Такое сочетание называется корпускулярно-волновым дуализмом.

Из сказанного выше следует, что фотон, как и любая другая частица, об­ладает энергией, импульсом и массой. Эти корпускулярные характеристики фотона связаны с волновой характеристикой света – частотой:

Проявление корпускулярно-волновой двойственности света - свет яв­ляется волной и частицей.

Наиболее полно корпускулярные свойст­ва света проявляются в эффекте Комп­тона.

А. Комптон исследовал рассеяние рентгеновских лучей на мишенях из различных материалов.

С точки зрения волновых представлений механизм рассеяния состоит "в раскачивании" электронов электромагнитным полем падающей волны. Колеблющийся электрон должен в свою очередь излучать электромагнитную волну, имеющую частоту, равную частоте колебаний электрона, т.е. частоте падающей волны. Таким образом, свободные электроны рассеивают излучение, причем частота рассеянных волн должна равняться частоте падающих.

С помощью рентгеновского спектрометра (изображен на рис) А. Комптон произвел точные измерения длины волны рентгеновских лучей, рассеянных на мишени.

Схема опытов Комптона: монохроматические рентгеновские лучи, соз­даваемые рентгеновской трубкой А, проходят через диафрагмы Д и узким пучком направляются на легкое рассеивающее вещество В. Лучи, рассеянные на угол θ, регистрируются приемником рентгеновских лучей Пр. - рентгенов­ским спектрографом, в котором измеряется длина волны рассеянных рентге­новских лучей. Опыты Комптона показали, что длина волны λ’ рассеянного  света больше длины волны λ падающего свежа, причем разность λ’ – λ за­висит только от угла рассеяния θ:

- комптоновская длина волны, определяется массой исследуемого вещества.

Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о           природе света.

Электромагнитное излучение представляет поток фотонов, каждый из которых обладает энергией hν и импульсом. Т.е. фотон ведет себя, грубо говоря, как движущийся шарик. В легких веществах, с которыми проводил опыты А.Комптон, энергия связи электронов мала по сравнению с энергией, передаваемой ему квантами рентгеновского излучения, и электроны можно считать свободными. При комптоновском рассеянии происходит упругое столкновение фотона со свободным электроном.

Для видимого света (hν всего 2 - 3 эВ) в веществе нет электронов, которые можно было бы считать свободными, и эффект не наблюдается.

Рассмотренные явления внешнего фотоэффекта и эф­фекта Комптона служат доказательст­вом квантовых (корпускулярных) пред­ставлений о свете как о потоке фотонов. С другой стороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, убедительно подтверждают волно­вую (электромагнитную) природу света. Давление и преломление света объясняются как волновой, так и кванто­вой теориями. Таким образом, электромаг­нитное излучение обнаруживает удиви­тельное единство, казалось бы, взаимо­исключающих свойств — непрерывных (во­лны) и дискретных (фотоны), которые взаимно дополняют друг друга, то есть свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом.

Свет, обладая одновременно корпускуляр­ными и волновыми свойствами, обнаружи­вает определенные закономерности в их проявлении. Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона и тем труднее обна­руживаются квантовые свойства света (с этим связано, например, существование «красной границы» фотоэффекта). Наобо­рот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются волновые свойства света (например, волновые свойства (дифрак­ция) рентгеновского излучения обнаруже­ны лишь после применения в качестве диф­ракционной решетки кристаллов).