Гипотеза Планка

Объяснение законам фотоэффекта дает квантовая теория света, основателем которой является немецкий ученый М. Планк.

Согласно квантовой теории атомы и молекулы ис­пускают или поглощают энергию не непрерывно (как это всегда предполагалось в классической физике), а дискретно (прерывно), отдельными порциями.Эти пор­ции энергии были названы квантами света, или фото­нами. Энергия фотона пропорциональна частоте излу­чения: E=hv. Коэффициент пропорциональности h был назван постоянной Планка. На основе опытов установлено, что  h = 6,62 10 34 Дж с.

Эйнштейн, используя представления о фотонах, создал теорию фотоэффек­та. В соответствии с этой теорией каждый фотон передает свою энергию Е электрону целиком. Эта энергия расходуется на то, чтобы электрон мог поки­нуть металл, т. е. на совершение работы выхода  Aвых по преодолению сил моле­кулярного притяжения и на сообщение электрону кинетической энергии.

На рисунке 7.4 представлена механическая модель фотоэффекта. Чтобы ша­рик выскочил из ямы и стал двигаться со скоростью v , ему необходимо сооб­щить энергию Е, достаточную для преодоления высоты h и сообщения ему кинетической энергии 

Закон сохранения энергии для этого процесса записывается в виде: 

В этом уравнении потенциальная энергия mgh соответствует работе выхода Aвых .

Аналогично для фотоэффекта, согласно закону сохранения энергии, можем записать:

 

​

 

Это и есть уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

​

​

 

Энергия поглощенного фотона расходуется на совершение электроном работы выхода и приобретение им кинетической энергии.

​

​

​

Уравнение Эйнштейна позволило объяснить законы фотоэффекта. Так, наи­большая кинетическая энергия электрона

​

 

Поскольку работа выхода для данного металла постоянна (Aвых = const), то наибольшая кинетическая энергия пропорциональна частоте падающего света:

​

​

​

Из уравнения также видно, что фотоэффект возможен лишь при энер­гии фотона не меньшей, чем работа выхода Aвых:                                           hv > Aвых.

Минимальная частота, при которой возможен фотоэффект, определяется по формуле:

​

Так как              , то максимальная длина волны: 

​

Это красная (длинноволновая) гра­ница фотоэффекта. Из формулы следует, что           зависит только от ра­боты выхода, т. е. от природы ме­талла.

На основе фотоэффекта работают фотоэлементы — приборы,

преобразу­ющие световые сигналы вэлектриче­ские. Внешний вид фотоэлемента и схема устройства приведены на рисунке 7.5. На большую часть внутренней по­верхности вакуумного стеклянного баллона наносится светочувствитель­ный слой, который служит катодом К.

Анодом А является проволочное коль­цо (или диск).Если сквозь окошко В в баллон поступает свет, то в электрической цепи, в которую включен фотоэлемент, возникает слабый ток. Силу тока в цепи с фото­элементом можно увеличить, если соединить кольцо с положительным полю­сом батареи, а светочувствительный слой — с отрицательным полюсом. Если включить в эту цепь электрическое реле, то ее можно использовать для управ­ления каким-либо устройством, например турникетом в метро.

Фотоэлементы применяют в фототелеграфии (при передаче изображения по проводам), телевидении и звуковом кино.

​

Вопросы для самоконтроля

​

1. Что такое фотоэффект?

2. Опишите опыты, в которых можно наблюдать явление фотоэффекта.

3. Сформулируйте законы фотоэффекта.

4. Что такое красная граница фотоэффекта?

5. Почему волновая теория света не могла обьяснить законы фотоэффекта?