В кінці XIX ст. було відкрито явище, яке не могла пояснити класична електродинаміка Максвелла. Цим явищем виявився фотоелектричний ефект.
Фотоелектричним ефектом (фотоефектом) називають явище випускання електронів речовиною під дією світла. Воно було відкрито Г. Герцем в 1887 р а перші експериментальні дослідження були виконані російським ученим А. Г. Столєтова, який встановив ряд закономірностей фотоефекту.
Для вирішення проблеми випромінювання енергії абсолютно чорним тілом М. Планк в 1900 р висловив гіпотезу: випромінювання електромагнітних хвиль відбувається порціями. Енергія порції випромінювання пропорційна частоті випромінювання:
де h - постійна Планка і дорівнює h = 6,63 • 10 -34 Дж / с, v - частота випромінювання. Згодом ця порція випромінювання була названа квантом, фотоном.
Надалі при вивченні фотоефекту різними вченими були відкриті його закони. При цьому використовувалася установка, зібрана за схемою (ріс.110).
У скляний балон, з якого
викачали повітря, поміщали два електроди. Всередину балона через кварцове
скло, яке пропускає ультрафіолетові промені, надходить світло. на електроди
подається напруга, причому освітлюваний електрод підключається до негативного
полюса джерела струму. Напруга, що подається на електроди, можна змінювати
за допомогою потенціометра і вимірювати вольтметром. Під дією світла негативно
заряджений електрод випускає електрони, які, прямуючи до позитивно
зарядженого електроду, утворюють електричний струм. Якщо, не змінюючи інтенсивність
випромінювання, змінювати різницю потенціалів між електродами, то можна отримати
вольт-амперну характеристику (залежність I від U) (рис. 111).
При досягненні максимального
значення сила струму не змінюється. Максимальне значення сили струму IВ
називають струмом насичення. Змінюючи в досвіді інтенсивність випромінювання,
вдалося встановити перший закон фотоефекту: кількість електронів,
виривається з поверхні металу за 1 с, прямо пропорційно поглиненої
енергії світлової хвилі.
Електрони, що вилітають з поверхні
катода, мають деяку швидкість і можуть досягти анода. Щоб струм став
дорівнює нулю, необхідно змінити полярність батареї і подати напругу
U3 (затримує напруга), яке визначається виразом:
При зміні інтенсивності
світла затримує напруга не змінюється. Воно змінюється зі зміною частоти
падаючого світла.
Другий закон фотоефекту:
максимальна кінетична енергія вириваються світлом електронів лінійно
зростає з його частотою і не залежить від інтенсивності падаючого світла.
Якщо частота світла менше
деякої постійної величини для даної речовини, то фотоефект не спостерігається.
Третій закон фотоефекту:
для кожної речовини існує "червона межа" - мінімальна частота
VК (максимальна довжина хвилі Лк), при якій фотоефект
ще спостерігається.
Класична електродинаміка
Максвелла не змогла пояснити другий і третій закони фотоефекту і, крім
того, безінерційність цього явища. Квантова теорія легко пояснює
всі закони фотоефекту.
1-й закон. згідно
квантової теорії світло випускається у вигляді потоку квантів. Чим більше потік
квантів, тим більше інтенсивність світла і тим більше число електронів
буде вибито з поверхні металу. Якщо напруга буде таким, що все
електрони, вибиті фотонами, досягнутий електрода (позитивного), то струм
насичення буде залежати від інтенсивності світла.
А. Ейнштейн припустив,
що світло не тільки випромінюється квантами, як це показав М. Планк, а й
поглинається квантами. Енергія кванта світла витрачається на повідомлення електрону
кінетичної енергії і на роботу його виходу з катода, т. е.
де hv - енергія поглиненого
кванта, Авих - робота виходу електронів з речовини,
- кінетична енергія електрона.
Рівняння А. Ейнштейна представляє собою закон збереження енергії при
фотоефекті.
2-й закон. приймемо
умова, що один електрон поглинає один квант. Тоді його потенційна
і кінетична енергія збільшується, при цьому відбувається робота виходу
(А) і купується швидкість v. Енергія кванта світла hv йде на
здійснення роботи виходу Авих. т. е. роботи, яку треба зробити
для виривання електронів з металу і на повідомлення йому кінетичної енергії:
= Hv - А. Так як робота
виходу для даної речовини постійна, то очевидно, що максимальна кінетична
енергія фотоелектронів (вибітшьяад дейнявіем світлі) лінійно залежить від
частоти.
3-й закон. Як видно
з рівняння А. Ейнштейна, фотоефект буде спостерігатися, якщо hv> Авих.
при hv
Звідси можна обчислити червону
кордон фотоефекту vкp