Фотоелектричний ефект

Таким чином, електромагнітна теорія світла виявилася нездатною пояснити ці закономірності.

Вихід був знайдений А. Ейнштейном в 1905 р. Теоретичне пояснення спостережуваних закономірностей фотоефекту було дано Ейнштейном на основі гіпотези М. Планка про те, що світло випромінюється і поглинається певними порціями, причому енергія кожної такої порції визначається формулою E = hν Е - постійна планка. Ейнштейн зробив наступний крок в розвитку квантових уявлень. Він дійшов висновку, що і світло має переривисту дискретну структуру. Електромагнітна хвиля складається з окремих порцій – квантів, згодом названих фотонами. При взаємодії з речовиною фотон цілком передає всю свою енергію hν одному електрону. Частину цієї енергії електрон може розсіяти при зіткненнях з атомами речовини. Крім того, частина енергії електрона затрачується на подолання потенційного бар'єру на межі метал–вакуум. Для цього електрон повинен зробити роботу виходу А, залежну від властивостей матеріалу катода. Найбільша кінетична енергія, яку може мати фотоелектрон, що вилетів з катода, визначається законом збереження енергії:

Цю формулу прийнято називати рівнянням Ейнштейна для фотоефекту.

За допомогою рівняння Ейнштейна можна пояснити всі закономірності зовнішнього фотоефекту. З рівняння Ейнштейна виходять лінійна залежність максимальної кінетичної енергії від частоти і незалежність від інтенсивності світла, існування червоної межі, безінерційність фотоефекту. Загальне число фотоелектронів, що покидають за 1 с поверхня катода, повинне бути пропорційне числу фотонів, падаючих за той же час на поверхню. З цього виходить, що струм насичення повинен бути прямо пропорційний інтенсивності світлового потоку.

Як випливає з рівняння Ейнштейна, тангенс кута нахилу прямий, виражаючої залежність замикаючого потенціалу U_з від частоти ν (мал. 8.2.3), рівний відношенню постійної Планка h до заряду електрона e:

Це дозволяє експериментально визначити значення постійної Планка. Такі вимірювання були виконані Р. Міллікеном (1914 р.) і дали хорошу згоду із значенням, знайденим Планком. Ці вимірювання дозволили також визначити роботу виходу А:

де с – швидкість світла, λ_кр – довжина хвилі, відповідна червоній межі фотоефекту. В більшості металів робота виходу А складає дещо електрон-вольт (1 еВ = 1,60210^–19 Дж). В квантовій фізиці часто використовується електрон-вольт як енергетична одиниця вимірювання. Значення постійної Планка виражене в електрон-вольтах в секунду, рівне

h = 4,13610–15 эВс.

Серед металів якнайменшою роботою виходу володіють лужні метали. Наприклад, В натрію А = 1,9 еВ, що відповідає червоній межі фотоефекту λ_кр≈680нм. Тому з'єднання лужних металів використовують для створення катодів у фотоелементах, призначених для реєстрації видимого світла.

Отже, закони фотоефекту свідчать, що світло при випуску і поглинанні поводиться подібно потоку частинок, що одержали назву фотонів або світлових квантів.

Енергія фотонів рівна

E = hν.

Фотон рухається у вакуумі з швидкістю с. Фотон не має маси, m = 0. Із загального співвідношення спеціальної теорії відносності, яке пов’язує енергію, імпульс і масу будь-якої частинки:

E² = m²c⁴ + p²c²,

витікає, що фотон володіє імпульсом

Таким чином, вчення про світло, вчинивши виток тривалістю в два сторіччя, знов повернулося до уявлень про світлові частинки – корпускулах.

Але це не було механічне повернення до корпускулярної теорії Ньютона. На початку XX століття стало ясно, що світло володіє подвійною природою. При розповсюдженні світла виявляються його хвильові властивості (інтерференція, дифракція, поялризація), а при взаємодії з речовиною – корпускулярні (фотоефект). Ця подвійна природа світла одержала назву корпускулярно-хвильового дуалізму. Пізніше подвійна природа була відкрита В електронів і інших елементарних частинок. Класична фізика не може дати наочної моделі поєднання хвильових і корпускулярних властивостей В мікрооб'єктів. Рухом мікрооб'єктів управляють не закони класичної механіки Ньютона, а закони квантової механіки. Теорія випромінювання абсолютно чорного тіла, розвинена М. Планком, і квантова теорія фотоелектричного ефекту Ейнштейна лежать в основі цієї сучасної науки.

ЛІТЕРАТУРА

1. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М., 1963

2. Соммер А. Фотоэмиссионные материалы. М., 1973

3. Аут И. и др. Фотоэлектрические явления. М., 1980

4. Джафаров Т.Дж.О. Фотостимулированные атомные процессы в полупроводниках. М., 1984.