47. Внешний фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна

для фотоэффекта.

Еще одним из явлений, связанных с электромагнитным излучением и не поддающимся объяснению с точки зрения классической электродинамики, является фотоэффект.

Если направить мощный поток излучения (например, от электрической дуги) на металлическую пластинку, соединенную с электроскопом, то можно заметить появление на пластинке электрического заряда. Если пластинка была изначально заряжена положительно, то скорость ее разрядки, происходящей из-за утечки заряда уменьшается постепенно. Если же исходный заряд пластинки был отрицательным, то при освещении ее он исчезает практически моментально. Таким образом, можно сделать вывод, что фотоэффект— это явление вырывания электронов с поверхности тела под действием падающего на него электромагнитного излучения.

Явление фотоэффекта было открыто Г.Герцем, и тщательно исследовано А.Г.Столетовым. Схема современной установки по исследованию фотоэффекта представлена на рисунке 7.

Рис. 7

На один из электродов падает электромагнитное излучение, которое вырывает электроны из левого электрода, сообщая им некоторую кинетическую энергию. Благодаря этой энергии электроны улетают от левого электрода, а некоторые из них достигают правого электрода, и таким образом в цепи возникает электрический ток, называемый фототоком.

2. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Теория квантов энергии, пропорциональных частоте, помогла объяснить и выявленные к тому времени закономерности фотоэффекта. Так, если принять, что электрон вылетает с поверхности вещества, только поглотив такой квант, то его энергия определяется энергией кванта, а значит и частотой.

Если принять, что излучение состоит из квантов энергии Е₀=hv, то интенсивность излученияW=Nhv. Электроны вылетают, поглотив один такой квант. Следовательно, чем больше квантов энергии попадает на поверхность вещества в единицу времени, тем больше электронов за это же время покидают эту поверхность.

Наконец, наличие красной границы фотоэффекта может быть объяснено необходимостью совершения определенной работы по вырыванию электронов с поверхности вещества. Такую работу называют работой выхода. В случае, если квант излучения, поглощенный электроном, больше, чем работа выхода, то фотоэффект наблюдается. В противном случае электрон просто не может покинуть вещество. Красная граница фотоэффекта связана с работой выхода следующим образом:hv_кр=А_вых.

Так как работа выхода совершается при фотоэффекте на любых частотах, больших, чем v_кр, то можно записать следующее выражение:

Другими словами, энергия кванта, поглощенная электроном при фотоэффекте, расходуется на совершение работы выхода и на сообщение кинетической энергии электрону после его вылета из вещества. Эта формула получила название уравнение (формула) Эйнштейна для фотоэффекта.

48. Строение атома. Опыт Резерфорда. Планетарная модель атома. Зарядовое

число. Изотопы.

3. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Планетарная модель атома

Рис. 1

Исследуя прохождение узкого пучка альфа-частиц через тонкие слои вещества (рис. 1), Резерфорд обнаружил, что большинство из них проходит сквозь золотую фольгу толщиной около 4·10^–7м, состоящую из тысячи слоев атомов, почти не отклоняясь от первоначального направления, как будто бы на их пути не было никаких препятствий. Однако очень небольшая доля этих частиц отклонялась на большие углы, испытав действие больших сил. Примерно одна из каждых восьми тысяч альфа-частиц отклонялась в направлении, противоположном первоначальному (рис. 2).

Рис. 2

До этого опыта господствовали представления об атоме как о разреженном и в целом нейтральном шаре, который не мог остановить и отбросить назад заряженную частицу, движущуюся с большой скоростью. В опытах Резерфорда -частицы обладали кинетической энергией около 5 МэВ, что дает скорость-частиц около 15 000 км/с. Резерфорд писал: «Это было столь же неправдоподобно, как если бы Вы произвели выстрел по обрывку папиросной бумаги 15-дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в Вас!».

Для того чтобы понять новое явление, Резерфорд с сотрудниками подсчитал число -частиц, рассеяных на различные углы, и оценил размеры ядра. На основе результатов этих измерений Резерфорд предложилпланетарную модель строения атома, согласно которой строение атома подобно строению Солнечной системы.

Рис. 3

В центре каждого атома (рис. 3) имеется положительно заряженное ядро радиусом порядка 10^–14м, а вокруг него на расстояниях около 10^–10м подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца, по круговым орбитам движутся электроны. Почти вся масса атома сосредоточена в атомном ядре. Альфа-частицы могут без рассеяния проходить через тысячи слоев атомов, так как основная часть пространства внутри атома пуста, а столкновения с легкими электронами почти не влияют на движение тяжелой альфа-частицы. Заметное отклонение этих частиц от первоначального направления происходит только при их столкновениях с атомными ядрами.