Теория:
Для решения проблемы описания спектра излучения нагретого тела (по максвелловской теории, плотность излучаемой энергии должна монотонно увеличиваться с увеличением частоты, а в эксперименте этого не наблюдается) немецкий физик Макс Планк предположил, что электромагнитная энергия испускается и поглощается атомами не непрерывно, а дискретно. Каждая порция энергии (квант) прямо пропорциональна частоте излучения:
\(\boxed{E=h \nu}\),
где коэффициент пропорциональности \(h=6.6\cdot 10^{-34}\) Дж·с называется постоянной Планка.
\(\boxed{E=h \nu}\),
где коэффициент пропорциональности \(h=6.6\cdot 10^{-34}\) Дж·с называется постоянной Планка.
В дальнейшем выяснилось, что представления о квантах необходимы не только для описания излучения тела, но и для описания поглощения телом электромагнитного (в частности светового) излучения.
Исследование явления вырывания электронов из вещества под действием света было проведено русским физиком А. Г. Столетовым. Схема опыта представлена на рис. \(1\).
Исследование явления вырывания электронов из вещества под действием света было проведено русским физиком А. Г. Столетовым. Схема опыта представлена на рис. \(1\).
Рис. \(1\). Схема опыта А. Г. Столетова
В вакууме находятся два электрода, на отрицательный направляется пучок света известной частоты. Напряжение на электродах измеряется вольтметром, и его можно менять с помощью переменного резистора. Электроны вылетают с катода и под действием электрического поля летят к аноду, из-за чего в цепи появляется электрический ток, величина которого измеряется амперметром. Было обнаружено, что при увеличении напряжения ток растёт только до какого-то порогового значения — фототока насыщения, а при определённом значении отрицательного напряжения в какой-то момент ток прекращается. На рис. \(2\) представлены вольт-амперные характеристики экспериментов с разными интенсивностями света.
Рис. \(2\). Зависимость силы тока от напряжения при фотоэффекте
Это явление было названо фотоэффектом (внешним фотоэффектом).
Экспериментально были установлены следующие законы.
Первый закон фотоэффекта.
Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, попадающего на катод вещества.
Второй закон фотоэффекта.
Максимальная кинетическая энергия электронов линейно зависит от частоты света, но не зависит от интенсивности света.
Третий закон фотоэффекта.
Для каждого вещества есть минимальная частота света, при которой наблюдается фотоэффект.
Это было названо красной границей фотоэффекта, поскольку красный — это самый длинноволновый свет, который определяет человеческий глаз.
Объяснить это в рамках квантовой физики можно следующим образом. Энергия кванта света тратится на кинетическую энергию электрона и совершение работы выхода электрона (энергия, которая необходима электрону, чтобы «вырваться» из металла):
\(\boxed{h \nu=A_{вых}+\frac{mv^2}{2}}\).
Данное выражение называется уравнением Эйнштейна.
Условие протекания тока:
\(\boxed{h \nu>A_{вых}}\).
Частота, определяемая выражением:
\(\boxed{\nu_{min}=\frac{A_{вых}}{h}}\),
называется красной границей фотоэффекта.
Данное выражение называется уравнением Эйнштейна.
Условие протекания тока:
\(\boxed{h \nu>A_{вых}}\).
Частота, определяемая выражением:
\(\boxed{\nu_{min}=\frac{A_{вых}}{h}}\),
называется красной границей фотоэффекта.
Источники:
Рис. 1. Схема опыта А. Г. Столетова. © ЯКласс.
Рис. 2. Зависимость силы тока от напряжения при фотоэффекте. © ЯКласс.