Гипотеза Макса Планка. Явление фотоэффект. Опыты Столетова. Законы фотоэффекта. Теория фотоэффекта.

Гипотеза Макса Планка.

Нагретые до высокой температуры тела приобретают способность светиться, излучая электромагнитные волны.

Электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами за счёт своей внутренней энергии, называется тепловым излучением.

Тепловое излучение ведёт к уменьшению внутренней энергии, а следовательно, к уменьшению температуры тела, а поглощение телом энергии соответственно приводит к увеличению температуры. Испуская электромагнитные волны и поглощая их, тела способны обмениваться энергией.

Для изучения теплового равновесия между веществом и излучением физики использовали модель абсолютно чёрного тела, которое поглощает всё падающее на него излучение любой частоты при произвольной температуре. Вследствие поглощения излучения тело нагревается и начинает излучать электромагнитные волны. Тепловое равновесие между телом и излучением наступает, когда тело ежесекундно поглощает и излучает одинаковую энергию.

Согласно законам электродинамики, интенсивность излучения колеблющимися заряженными частицами вещества должна возрастать пропорционально частоте их колебаний во второй степени и, соответственно, частоте излучения во второй степени.

Значит в спектре излучения нагретого вещества интенсивность I излучения должна была бы непрерывно увеличиваться с увеличением частоты \nu (т. е. с уменьшением длины волны \lambda ) излучения.

Расчёты, проведённые Джоном Релеем дали удовлетворительное совпадение с экспериментально наблюдаемой зависимостью, но только для длин волн, бОльших определённого значения. В области более коротких длин волн результаты эксперимента оказались прямо противоположными тем, которые предсказывает теория электродинамики Максвелла.

Экспериментально было установлено, что с ростом частоты \nu интенсивность излучения вначале увеличивается, достигает максимума при некотором значении частоты, а затем уменьшается, стремясь к нулю.

Опыт указывал также на то, что тепловое равновесие между телом и излучением возможно при любой температуре, а из расчётов на основе теории Максвелла и термодинамики следовало, что такое равновесие возможно только при абсолютном нуле температуры.

Описанные противоречия теоретических предсказаний классической физики с результатами экспериментов получили название «ультрафиолетовая катастрофа». Причиной «ультрафиолетовой катастрофы», как показывают исследования, является ошибочное положение классической физики, согласно которому излучение и поглощение происходит непрерывно.

Чтобы объяснить результаты опытов по тепловому равновесию тела и излучения Макс Планк высказал предположение, которое выходило за рамки теории Максвелла, однако хорошо описывало результаты опытов.

Согласно Планку, свет излучается и поглощается веществом отдельными порциями — квантами, причём энергия E кванта прямо пропорциональна частоте \nu излучения: E = h\nu , где h — величина, названная впоследствии постоянной Планка. Измерения показали, что h = 6,62\cdot10^{-34} Дж\cdot с . За разработку этой теории Планк в 1911 г. был удостоен Нобелевской премии по физике.

Световые кванты можно рассматривать как реальные микрочастицы — фотоны, из которых состоит электромагнитное излучение.

Световые кванты можно рассматривать как реальные микрочастицы — фотоны, из которых состоит электромагнитное излучение.

Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения: E = h\nu

Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения: q=0

Скорость фотона во всех системах отсчёта равна скорости света в вакууме: v = c

Фотон обладает импульсом: p = \frac{E}{c} = \frac{h\nu}{c} = \frac{h}{\lambda} .

Явление фотоэффекта. Опыты Столетова.

Если на незаряженном электрометре установить цинковую пластинку и освещать её светом ртутно-кварцевой лампы, содержащим ультрафиолетовое излучение, то можно увидеть, что электрометр заряжается. С помощью заряженной палочки можно убедиться, что электрометр приобрёл положительный заряд, а это обусловлено недостатком электронов на цинковой пластине. Следовательно, под действием света, из цинковой пластины вылетают электроны.

Поэтому такие электроны стали называть фотоэлектронами, а вырывание электронов из вещества под действием света — фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией. Если вырванные электроны вылетают за пределы вещества, фотоэффект называют внешним.

Первым фотоэффект на опыте обнаружил Генрих Герц в конце 19-го века.

Рассмотрим принципиальную схему установки для исследования фотоэффекта (рис. 1).

столетов В вакуумной трубке помещены два электрода — катод 1 из исследуемого металла и анод 2, подключённые к источнику напряжения.

Напряжение между электродами измеряется вольтметром, а ток в цепи — миллиамперметром. Без освещения катода тока в цепи нет, так как в промежутке между катодом и анодом отсутствуют носители заряда.

При освещении электроны, вырываемые светом из катода, под действием электрического поля притягиваются к положительно заряженному аноду. Возникающий в цепи электрический ток называют фототоком. Фототок возникает даже в отсутствие разности потенциалов между анодом и катодом.

При малых напряжениях не все фотоэлектроны достигают анода. С увеличением разности потенциалов между анодом и катодом сила тока растёт и при некотором напряжении она достигает максимального значения, называемого фототоком насыщения.

Если изменить полярность источника напряжения, то сила тока уменьшится и при некотором задерживающем напряжении она станет равной нулю. В этом случае электрическое поле тормозит фотоэлектроны до полной остановки, а затем возвращает их на катод. Это позволяет определить значение максимально возможной кинетической энергии вылетающих электронов.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов E_{k \max} связана с модулем заряда электрона и модулем задерживающего напряжения соотношением E_{k \max} = eU_{з} .

Вольт-амперная характеристика при фотоэффекте приведена на рисунке 2.

фотоэффект 1 Законы фотоэффекта

Опытным путём были установлены следующие законы фотоэффекта:

Сила фототока насыщения I_{н} при неизменной частоте падающего света прямо пропорциональна его интенсивности. Это утверждение часто называют законом Столетова для фотоэффекта.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности (см. рис. 3).

Фотоэффекта не наблюдается, если частота падающего света \nu меньше некоторого определённого значения \nu_{\min} , называемого красной границей фотоэффекта (см. рис. 3).

фотоэффект 2 Эти законы невозможно объяснить с помощью волновой теории света.

Согласно этой теории, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов. В результате кинетическая энергия электрона может оказаться достаточной для преодоления сил притяжения, удерживающих его внутри металла, т. е. для выхода из металла. При этом кинетическая энергия фотоэлектронов должна зависеть от интенсивности падающего света, так как с увеличением интенсивности электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.

Кроме того, согласно волновой теории, свет достаточной интенсивности должен вырывать электроны из металла независимо от частоты излучения, а значит красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит третьему закону фотоэффекта.