Тиск світла

У 1901 році російський фізик П.Н.Лебедєв встановив, що світло, падаючи на яку-небудь поверхню, чинить на неї тиск, залежний від світлового потоку і відбивальної здатності поверхні тіла. Тиск світла дуже малий: наприклад, тиск сонячного світла на дзеркальну поверхню, яка знаходиться на Землі, на десять порядків менший за атмосферний поблизу її поверхні. Це явище може бути пояснене як на основі хвильових уявлень про світло, так і з точки зору квантової теорії світла. Згідно хвильової теорії, тиск світла пояснюється виникненням механічних сил, діючих на електрони освітлюваного тіла з боку електричного і магнітного компонентів електромагнітної хвилі. Квантова теорія світла пояснює світловий тиск як результат передачі фотонами свого імпульсу атомам або молекулам речовини. Кожен поглинений квант світла передає поверхні імпульс h/с, а кожен відбитий – імпульс 2h/с, оскільки при відбиванні імпульс фотона змінюється на протилежний. Світловий тиск чисель-но дорівнює імпульсу, одержаному одиницею площі поверхні тіла за одиницю часу.

І хвильова, і квантова теорії світла для розрахунку світлового тиску дають однакові результати: де Ее=Nh – опроміненість поверхні, =Ee/c - об'ємна гус-

тина енергії випромінювання,  - коефіцієнт відбивання поверхні (для дзеркальної поверхні =1, а для зачорненої =0).

Фотоелектричний ефект

Поглинання оптичного випромінювання речовинами, що супроводжується електричними явищами, називається фотоелектричним ефектом. Розрізняють декілька видів фотоефекту: 1) Зовнішній фотоефект – явище випромінювання електронів речовиною (металом, напівпровідником або діелектриком) під дією електромагнітного випромінювання. Вперше винайдений у 1887 році Р.Герцем. 2) Внутрішній фотоефект – переходи електронів, спричинені електромагнітним випромінюванням усередині напівпровідника або діелектрика із зв'язаних станів у вільні без вильоту їх назовні. В результаті спостерігається явище фотопровідності – підвищення електропровідності речовини при її освітленні. Явище досліджене академіком А.Іоффе у 1908 році. 3) Вентильний фотоефект – виникнення ЕРС (фотоЕРС) при освітленні контакту двох різнорідних напівпровідників або напівпровідника і металу (при відсутності зовнішнього електричного поля). Вентильний фотоефект – різновид внутрішнього. Фотоефект у газовому середовищі – явище виникнення електропровідності у газах внаслідок фотоіонізації їх атомів або молекул під дією електромагнітного випромінювання.

Явище зовнішнього фотоефекту вперше було детально досліджене Столєтовим у 1890 році. В результаті численних дослідів, він встановив такі закони фотоефекту: 1) Закон Столєтова: сила фотоструму насичення I_н, що виникає при освітленні монохроматичним світлом, пропорційна світловому потоку, падаючому на катод: I_н=_е, де  - фоточутливість фотокатоду, яка вимірюється у мікроамперах на люмен (мкА/лм). 2) Максимальна початкова кінетична енергія фотоелектронів Е_max не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою . 3) Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту – мінімальна частота _min світла (залежна від хімічної природи речовини і стану її поверхні), нижче за яку фотоефект неможливий.

Хвильова теорія світла змогла пояснити тільки перший закон, а два останніх виявились абсолютно незрозумілими. Для пояснення цих загадкових законів Ейнштейн використав гіпотезу Планка про квантову природу електромагнітного випромінювання. Він припустив, що якщо світло випромінюється квантами, то воно поширюється і поглинається також дискретними порціями, енергія яких пропорційна частоті. Енергія кванту світла h, що падає на речовину, витрачається на роботу виходу А електрона із речовини та на надання йому кінетичної енергії Е. Електрон речовини, поглинувши квант енергії (фотон), або покине речовину, або залишиться усередині неї. Це залежить від співвідношення між енергією фотона і роботою виходу електрона. За умови hА, електрони не можуть покинути речовину. Якщо ж hА, електрони покидають речовину із максимальною кінетичною енергією Е_max=h-A. Рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту є окремим випадком закону збе-

реження енергії, записується у вигляді: і читається так: енергія падаючого фотону витрачається на здій-снення електроном роботи виходу із металу та на надання йому

максимальної кінетичної енергії. При зменшенні частоти падаючого світла, кінетична енергія фотоелектронів зменшується (для кожного матеріалу А=const), тому при деякій частоті _min кінетична енергія фотоелектронів обертається в нуль і фотоефект

припиняється. Робота виходу електрона A із даного матеріалу зв'язана із “червоною межею min” (або “довгохвильовою межею max”) фотоефекту для цього матеріалу співвідношеннями:

Електрони, які вибиваються світлом із речовини фотокатоду володіють деякою початковою швидкістю V₀, а отже, відмінною від нуля кінетичною енергією, тому можуть досягати аноду фотоелемента без зовнішнього електричного поля. Для того, щоб фотострум став дорівнювати нулю, між катодом і анодом треба прикласти затримуючий потенціал U₃ – напругу, створюючу гальмівне електричне поле для фотоелектронів. При U=U₃ ні один із електронів, навіть які мають максимальну

швидкість Vmax, не може здолати гальмівного поля і досягти анода. Отже: Вимірюючи затримуючий потенціал U3, можна визначати макси-

мальне значення швидкості і кінетичну енергію фотоелектронів.