Внешний фотоэффект. Законы фотоэффектов. Квантовая теория внешнего фотоэффекта.

Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы фотоэффекта:

1. количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

2. максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν0 (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν<ν0, то фотоэффект уже не происходит.

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов(фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл: — максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла.Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмиттирующий электроны под действием этого излучения .

Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного излучения называют спектральной характеристикой фотокатода.

Законы внешнего фотоэффекта

1.Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения): и

2.Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

3.Для данного вещества при данной температуре существует красная граница фотоэффекта, то есть такая длинна волны после которой фотоэффект не наблюдается. Планк предположил, что поглощение света веществом происходит дискретно (неделимыми порциями), и энергия поглощаемой порции зависит от частоты света. Эйнштейн выдвинул тезис, что не только процесс поглощения, но и само электромагнитное излучение дискретно; позднее эти порции (кванты) получили название фотонов. Этот тезис позволил ему объяснить две загадки фотоэффекта: почему фототок возникал не при всякой частоте света, а только начиная с определённого порога, зависящего только от вида металла, а энергия и скорость вылетающих электронов зависели не от интенсивности света, а только от его частоты. Теория фотоэффекта Эйнштейна с высокой точностью соответствовала опытным данным, что позднее подтвердили эксперименты Милликена

формула Эйнштейна для фотоэффекта: где Aout — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), mv^2/2- кинетическая энергия вылетающего электрона, ω — частота падающего фотона с энергией, , . — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже не достаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

При данном способе измерения постоянной Планка используется закон Эйнштейна для фотоэффекта: где Kmax — максимальная кинетическая энергия вылетевших с катода фотоэлектронов,v — частота падающего света,A — т. н. работа выхода электрона.

Распределение энергии по длинам волн в спектре излучения абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина.Понятие об ультрафиолетовой катострофе.Абсолютно чёрное тело —тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее, может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения а.ч.т. определяется только его температурой.Наиболее чёрные реальные вещества поглощают до 99 % падающего излучения в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Среди тел Солнечной системы свойствами а.ч.т. в наибольшей степени обладает Солнце. А.ч.т. в природе не существует.Ультрафиоле́товая катастро́фа — физический термин, описывающий парадокс классической физики-полная мощность теплового излучения любого нагретого тела должна быть бесконечной. Название парадокс получил из-за того, что спектральная плотность мощности излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны. Формула Планка — выражение для спектральной плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела, которое было получено Максом Планком для равновесной плотности излучения u(ω,T). Планк сделал предположение о том, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых связана с частотой излучения выражением: Коэффициент пропорциональности /h впоследствии назвали постоянной Планка, /h = 1.054 · 10^−34 Дж·с.Первый закон излучения Вина: , где u_v - плотность энергии излучения, ν — частота излучения, T — температура излучающего тела, f — функция, зависящая только от частоты и температуры. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.

Закон Стефана — Больцмана — закон излучения абсолютно чёрного тела. Определяет зависимость мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры. Формулировка закона:

Мощность излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры тела:P = SεσT4, где ε - степень черноты (для всех веществ ε < 1, для абсолютно черного тела ε = 1). При помощи закона Планка для излучения, постоянную σ можно определелить как где h— постоянная Планка, k — постоянная Больцмана, c — скорость света. Численное значение «сигма»=5, 670400-10^-8Дж · с^-1 · м^-2 · К^-4. закон говорит только об общей излучаемой энергии. Распределение энергии по спектру излучения описывается формулой Планка, в соответствии с которой в спектре имеется единственный максимум, положение которого определяется законом Вина.

Вин на основе дополнительных предположений вывел второй закон: ,

где u_ν — плотность энергии излучения, ν — частота излучения,T — температура излучающего тела,C_1,C_2 — константы. вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным конкретным случаем первого закона Вина. Позже , где u_ν — плотность энергии излучения,ν — частота излучения,T — температура излучающего тела,h — постоянная Планка,k — постоянная Больцмана,c — скорость света в вакууме.