Атомная физика. 
Физика

Корпускулярные свойства света

Тепловое излучение — свечение тел, имеющих температуру отличную от нуля Кельвина (Г = О К). С увеличением температуры тела интенсивность теплового излучения возрастает, причем его спектр излучения сдвигается в коротковолновую область шкалы электромагнитных волн. Тепловое излучение совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества.

Формула энергии кванта (формула Планка). Согласно волновой (классической) теории света тепловое равновесие между излучением и поглощением тела не может быть достигнуто, так как вся энергия нагретого тела должна перейти в излучение, а само тело должно охладиться до абсолютного нуля. В действительности этого не происходит.

Поэтому Планк в 1900 г. выдвинул гипотезу: атомы излучают электромагнитную волну (свет) не непрерывно в виде волн, а определенными отдельными (дискретными) порциями энергии — квантами. Световые кванты позже были названы фотонами — элементарные частицы света.

Согласно квантовой теории, свет излучается и поглощается атомами и молекулами вещества дискретными порциями — квантами, т. е. представляет собой поток фотонов.

Энергия одного кванта (фотона):

где v и X — частота и длина волны излучения в вакууме; с = = 3 • 10⁸ м/с — скорость света в вакууме; р = 6,63 • 1СГ³⁴ Дж? с — постоянная Планка.

Энергия фотона через циклическую частоту:

где со = 2KV — циклическая частота; h = h/2n = 1,5 • 1СГ³⁴ Дж • с. Модуль импульса фотона:

Масса фотона:

Приведенные выше выражения связывают корпускулярные характеристики фотона — массу, импульс и энергию с волновой характеристикой света — его частотой v (или длиной А.). При распространении, интерференции, дифракции свет проявляет волновые свойства, а при взаимодействии с веществом, излучении, поглощении — корпускулярные свойства. Таким образом, свет обладает свойством корпускулярно-волнового дуализма, т. е. двойственной природой.

Фотоны в любом веществе движутся со скоростью света в вакууме, хотя скорость света х в веществе меньше скорости света в вакууме в п раз: v = с/п, где п — абсолютный показатель преломления вещества. Энергия кванта неделима. При малых частотах колебаний преобладают волновые свойства света, при больших частотах — квантовые свойства света.

Гипотеза Планка объяснила явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. Герцем и экспериментально исследованного Столетовым (см. ниже. Законы фотоэффекта).

Фотоэффект — испускание электронов под действием света.

Первый закон фотоэффекта: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

Второй закон фотоэффекта: максимальная начальная скорость (максимальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой и свойствами поверхности катода.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота v_min света (или максимальная длина волны), ниже которой фотоэффект невозможен.

Вольт-амперная характеристика — зависимость фототока / при облучении катода светом от напряжения U между электродами (рис. 7.1).

На рис. 7.1 приведены две вольт-амперные характеристики: с увеличением интенсивности падающего света (Ф₂ > Ф_г) фототок возрастает.

Рис. 7.1.

Задерживающее напряжение ((У₃) — напряжение, при котором фототок прекращается. Задерживающее напряжение находится из условия:

где т и е — соответственно масса и заряд электрона; г_тах — максимальная скорость испускаемых электронов.

Фототок насыщения при неизменной интенсивности света соответствует такому напряжению, когда все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

где п — число фотоэлектронов, вылетевших из катода в единицу времени.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

Энергия падающего фотона hv расходуется на работу выхода А электрона из металла (зависит от химической природы металла и состояния его поверхности) и на сообщение вылетающему фотоэлектрону максимальной скорости, равной mv²_max/2.

Используя понятие задерживающего напряжения, уравнение Эйнштейна можно записать:

где v_mjn = cA_max — минимальная частота света, при которой фотоэффект еще возможен.

На рис. 7.2 приведена зависимость запирающего напряжения U₃ от частоты v облучающего света [т. е. U₃ — lf₃(v)], падающего на катод, для двух разных материалов катода (А₂ > А]).

Рис. 7.2.

Красная граница фотоэффекта:

где v_min и А._тах — соответственно минимальная частота и максимальная длина волны падающего света, при которой фотоэффект еще возможен.

Работу выхода фотоэффекта обычно выражают в электронвольтах.