Фотоэлектрический эффект

Под воздействием фотонов металл может испускать электроны.

Выбивание светом электронов с поверхности токопроводящих материалов — явление, широко используемое сегодня в повседневной жизни. Например, некоторые системы сигнализации работают за счет передачи видимых или инфракрасных световых лучей на фотоэлектрический элемент, из которого выбиваются электроны, обеспечивающие электропроводность цепи, в которую он включен. Если на пути светового луча появляется препятствие, свет на датчик поступать перестает, поток электронов прекращается, цепь разрывается — и срабатывает электронная сигнализация.

Это явление, получившее название фотоэлектрического эффекта, или, кратко, фотоэффекта, было открыто в конце XIX столетия и сразу поставило целый ряд фундаментальных вопросов, поскольку ничего из того, что было известно ученым о строении металлов или природе света, фотоэффекта не объясняло. Нельзя сказать, что классическая теория запрещала бы свету выбивать электроны из металла. Электромагнитные волны, по идее, могли «вымывать» электроны из металла подобно тому, как морские волны выносят на поверхность и постепенно прибивают к берегу легкие пробковые крошки. Однако проблема состояла в том, что столь простым объяснением в случае фотоэффекта ограничиться было невозможно. Во-первых, электроны появлялись практически мгновенно после начала облучения. Во-вторых, фотоэффект, как оказалось, возникал даже под воздействием самых слабых световых лучей, причем по мере повышения интенсивности облучения энергия высвобождаемых электронов не изменялась. И то, и другое вступало в явное противоречие с классической картиной взаимодействия света с электронами.

Проблему в конце концов удалось решить в начале ХХ века Альберту Эйнштейну, причем сделанные им выводы дали мощный толчок развитию квантовой механики. Незадолго до этого Макс Планк показал, что излучение черного тела можно адекватно описать, приняв за допущение, что атомы излучают и поглощают свет фиксированными энергетическими порциями — квантами. Он полагал, что этот феномен каким-то образом обусловлен внутренним строением атомов, но отнюдь не природой света. Однако Эйнштейн воспринял идею Планка гораздо серьезнее и постулировал, что сам свет распространяется дискретными пучками энергии, которые он назвал фотонами. Иногда фотоны ведут себя подобно частицам, иногда — подобно волнам (см. Принцип дополнительности). В частности, при взаимодействии с электроном фотон может вести себя как частица, и буквально выбивать электрон из атома (это соударение фотона с атомом можно уподобить столкновению двух бильярдных шаров). Причем для выбивания электрона при таком соударении достаточно единственного фотона. Далее, повышение интенсивности света приводит к увеличению числа фотонов (и, следовательно, числа выбитых электронов), но не энергии отдельно взятого фотона. Следовательно, и энергия, и скорость отдельно взятого выбитого фотоэлектрона не зависят от интенсивности света — но только от его частоты.

Рассуждая таким образом, Эйнштейн вывел следующее простое уравнение для описание энергии фотоэлектронов:

    E =  — φ

где ν — частота падающего света, h — постоянная Планка, а φ — так называемая «работа выхода», то есть минимальная энергия, необходимая для того, чтобы выбить электрон из атома металла.

См. также:
Открытие электрона

2
Показать комментарии (2)
Свернуть комментарии (2)

  • 1234  | 19.03.2008 | 22:17 Ответить
    \\\Выбивание светом электронов с поверхности токопроводящих материалов - явление, широко используемое сегодня в повседневной жизни. Например, некоторые системы сигнализации работают за счет передачи видимых или инфракрасных световых лучей на фотоэлектрический элемент, из которого выбиваются электроны, обеспечивающие электропроводность цепи, в которую он включен. Если на пути светового луча появляется препятствие, свет на датчик поступать перестает, поток электронов прекращается, цепь разрывается - и срабатывает электронная сигнализация.\\\

    Шибко умный физик написал, - всплакнулось.
    Ответить
    • derevo > 1234 | 16.11.2012 | 14:58 Ответить
      УДИВИТЕЛЬНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОТОЭФФЕКТА НАХОДЯТ СВОЕ ПОЛНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ В РАМКАХ КЛАССИЧЕСКОЙ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ (Статистической Оптики).

      Наиболее интересным свойством фотоэффекта является тот факт, что энергия выбитых из фотокатода фотоэлектронов строго пропорциональна частоте падающего на фотокатод света и не зависит от интенсивности света.
      Этот закон фотоэффекта был открыт Филиппом Ленардом в 1902 году экспериментальным путем и не нашел до последнего времени своего должного теоретического объяснения.
      Особенно поразительно этот эффект проявляется в полупроводниковых детекторах излучений, амплитудное разрешение которых составляет единицы, а порой и доли процентов. На выходе таких детекторов получаются очень узкие амплитудные пики с высоким разрешением (на амплитудных анализаторах спектров).
      Создается такое впечатление, как будто что-то вылетело из излучателя со строго определенной энергией и полностью передалось со всей своей энергией отдельному электрону атома фотоприемника. При этом данный эффект не зависит от расстояния между излучателем и приемником.
      Как говорится, здесь есть от чего сойти с ума, что и сделали благополучно все корифеи физики ХХ века.
      В результате всего этого были «изобретены» гипотетические фотоны, которые, якобы, и переносят эту энергию от излучателя к фотоприемнику.
      При попытках объяснить фотоэффект, как правило, в ВУЗовских учебниках допускаются довольно грубые ошибки. Так, например, утверждается, что, якобы, согласно Классической физике при увеличении интенсивности падающего на фотокатод света должна увеличиваться энергия вылетающих фотоэлектронов, чего на самом деле не происходит.
      Увеличивается лишь общее количество вылетающих фотоэлектронов, а распределение электронов по скоростям и энергиям остается прежним и не зависит от величины потока падающего на фотокатод света.
      И, как результат подобных заблуждений, начинается выдумывание разных "квантовых диковинок" типа фотонов как некоторых сгустков энергии, которые, якобы, и бьют метко по электронам, выбивая их наружу. При первом же детальном анализе явления фотоэффекта подобные "истолкования" не выдерживают элементарной критики.
      Сразу же следует сказать, что изобретатели "новых теорий", просто-напросто, не учитывают статистический характер света.
      Из Статистической физики (со времен Молекулярной физики) хорошо известно, что функция распределения частиц по скоростям или энергиям не зависит от участвующих в процессе частиц. И чем больше частиц в этом процессе, тем с большой точностью выполняется данная закономерность.
      Статистический характер световых полей обусловлен тем, что источники света обычно состоят из огромного числа хаотически расположенных в пространстве и не связанных между собой элементарных излучателей (атомы, молекулы), испускание света которыми имеет вероятностный характер. Поэтому рассмотрение данной задачи следует вести исключительно в рамках статистической физики и статистической оптики с использованием функций распределения электронов по скоростям или по энергиям.
      Экспериментаторам, как правило, приходится иметь дело с веществами, которые состоят из огромного числа частиц (атомов или молекул), поэтому и статистические закономерности здесь выполняются с высокой точностью.
      Рассмотрение этого сложного вопроса начинается с анализа энергетического распределения (функции распределения) фотоэлектронов, возникающих при облучении фотокатода светом определенного спектрального состава.
      Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»