Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
При изменении интенсивности света сила тока насыщения / также изменяется, но, как показали опыты, задерживающее напряжение U3 остается неизменным. Это означает, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света (при его неизменном спектральном составе). С точки зрения волновых представлений о свете этот факт необъясним. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны в освещенном металле и тем большая энергия должна, казалось бы, передаваться светом электронам.
Тщательные опыты показали, что кинетическая энергия электронов, испускаемых поверхностью металла, освещаемой видимым или ультрафиолетовым светом, не зависит от интенсивности излучения, а зависит лишь от рода металла и от частоты излучения v. Теоретическое объяснение наблюдаемой закономерности было дано в 1905 г. А. Эйнштейном на основе гипотезы Планка о том, что свет излучается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой Е = hv.
Соотношение Планка. Эта формула была предложена Планком при разработке теории теплового излучения. Последовательное применение классической электродинамики к этой проблеме приводило к физически бессмысленному выводу о том, что спектральная плотность излучения нагретого тела должна неограниченно возрастать в области высоких частот. Этот парадоксальный вывод из классических представлений получил образное название «ультрафиолетовой катастрофы».
Такое противоречие теории и эксперимента не возникает, если предположить, что вещество испускает электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями — квантами, энергия которых пропорциональна частоте v излучения:
E = hv.
Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планка. Числовое значение постоянной Планка равно 6,626-10-34 Дж • с. Построенная Планком теория теплового излучения превосходно согласуется с экспериментом, однако положенное в
§ 6. СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ
47
основу этой теории предположение означает, что законы классической физики неприменимы к описанию явления теплового излучения.
Уравнение Эйнштейна. Описывающее фотоэффект уравнение Эйнштейна выражает закон сохранения энергии в элементарном акте взаимодействия светового кванта, имеющего энергию hv, с электроном металла:
Av==™_ + A (О
В этом выражении А — так называемая работа выхода электрона из металла, т. е. минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из металла, тг^акс/2 — максимальная кинетическая энергия освобождаемого электрона.
Из уравнения (1) можно сделать вывод, что свет с частотой v, меньшей некоторого значения vMHH, определяемого соотношением /zvMHH — А, вообще не может вызывать фотоэффект в веществе с данным значением работы выхода, так как энергия hv кванта оказывается меньше работы выхода. Эта частота vMHH определяет так называемую красную границу фотоэффекта. У цинка красная граница фотоэффекта приходится на ближнюю ультрафиолетовую область спектра. У некоторых других металлов, например у натрия и калия, эта граница лежит в видимой области спектра.
Детальное изучение опытных данных показало, что h в выражении (1) действительно совпадает с универсальной постоянной h = 6,626-10-34 Дж-с, значение которой впервые было найдено из опытов по спектральному составу теплового излучения.
Корпускулярные и волновые свойства света. Попытаемся понять, почему электрон обычно поглощает только один квант энергии независимо от интенсивности излучения1. Самое простое объяснение этого явления заключается в следующем: свет состоит из частиц, т. е. из излученных порций световой энергии Е = hv, которые сохраняют свою индивидуальность в процессе распространения и в дальнейшем, при столкновении с электроном, передают ему всю свою энергию.
Это предположение подкрепляется различными опытами, например такими, когда на фотопластинку направляются лучи очень низкой интенсивности. На пластинке получаются хаотически разбросанные темные точки, распределенные со средней плотностью, пропорциональной интенсивности света. Для очень интенсивного пучка распределение точек становится настолько плотным, что они практически сливаются. При такой интенсивности пучка света дискретность
1 При очень высокой интенсивности сфокусированного лазерного излучения возможен многофотонный фотоэффект, когда одному электрону передается энергия сразу нескольких фотонов. Для многофотонного фотоэффекта красная граница отсутствует.
48
II. ЗАКОНЫ МИКРОМИРА. ЧАСТИЦЫ И ВОЛНЫ
актов взаимодействия света с фотопластинкой уже не проявляется, и пучок становится похожим на то, что в классической физике называется световой волной.
Хотя предположение, что свет состоит из локализованных частиц, позволяет просто объяснить фотоэлектрический эффект, оно не согласуется с огромной совокупностью экспериментов, приводящих к выводу, что свет является формой волнового движения. Вспомним чередование интенсивности дифракционных полос света, падающего на экран после прохождения через одну или несколько щелей. Часто имеет место такое явление, что при двух открытых щелях, близких друг к другу, интенсивность света в некоторых местах экрана будет очень мала, в то время как в тех же местах при пропускании света только через одну щель наблюдается высокая интенсивность. Эти результаты легко объясняются предположением, что свет представляет собой волны, которые, интерферируя, могут усиливаться или ослабляться. Но их совершенно невозможно объяснить, если предположить, что свет состоит из классических частиц-корпускул. Такие частицы должны были бы проходить или через одну, или через другую щель, и наличие второй щели едва ли могло бы влиять на характер движения частиц, проходящих через первую щель.
