Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

По закону сохранения энергии

Уравнениеназывается уравнением Эйнштейна для внешнего фо­тоэффекта. Оно имеет простой физический смысл: энергия светового кван­та расходуется на вырывание электрона из вещества и на сообщение ему кинетической энергии.

Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фото­электронов уменьшается (для данного металла А = const), то при некото­рой достаточно малой частоте кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (2-й закон фотоэффекта). Получим, что:

(6)

Это и есть "красная граница" фотоэффекта для данного металла. Она зави­сит лишьот работы выхода электрона, т.е. от химической природы веще­ства и состояния его поверхности.

Выражение (3), используя (17) и (6), можно записать в виде

(7)

Если интенсивность очень большая, то возможен многофотонный фотоэффект, при котором фотоэлектрон од­новременно получает энергию не одного, а нескольких фотонов. Многофо­тонный фотоэффект описывается уравнением

(8)

где N - число вступивших в процесс фотонов. Соответственно "красная граница" многофотонного фотоэффекта

(9)

Применение фотоэффекта

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных при­боров, которые получили широкое применение в различных областях нау­ки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы - приемники излу­чения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию из­лучения в электрическую.

Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является ва­куумный фотоэлемент. Он представляет собой баллон, из которого выка­чан воздух, внутренняя поверхность (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем и является фотокатодом. В качестве анода обычно используются кольцо или сетка, поме­щаемые в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи, ЭДС которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения.

Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спек­тра: для регистрации видимого света и инфракрасного излучения исполь­зуется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света - сурьмяно-цезиевый. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Эти свойства по­зволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометриче­ских приборов, например, экспонометров и люксметров для измерения ос­вещенности. Современная фотометрия, спектроскопия и спектрофотометрия, спектральный анализ вещества проводятся с примене­нием фотоэлементов. Широко используются фотоэлементы в технике: кон­троль, управление, автоматизация производственных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в звуковом кино, в разнообразных системах связи от передачи изображения и телеви­дения до оптической связи на лазерах и космической техники представля­ют собой далеко не полный перечень областей применения фотоэлементов для решения разнообразных технических вопросов в современной про­мышленности и связи.

17.Масса и импульс фотона. Давление света. Корпускулярные св-ва света. Возможность определения массы и импульса фотона. Давление света – как проявление корпускулярных св-в. Взаимосвязь с энергией фотонов и св-вом пов-сти. Квантовое и волновое объяснение давления света.

Фотон - материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия Основные свойства фотона 1. Является частицей электромагнитного поля. 2. Движется со скоростью света. 3. Существует только в движении. 4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.   Энергия фотона: . Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как , Отсюда - масса фотона. Импульс фотона . Импульс фотона направлен по световому пучку. Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

Давление света Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом . Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен . Световое давление:

Эффект Комптона При исследовании законов рассеяния рентгеновских лучей А. Комптон установил, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество происходит увеличение длины волны рассеянного излучения по сравнению с длиной волны падающего излучения. Чем больше угол рассеяния, тем больше потери энергии, а следовательно, и уменьшение частоты (увеличение длины волны). Если считать, что пучок рентгеновских лучей состоит из фотонов, которые летят со скоростью света, то результаты опытов можно объяснить следующим образом. Законы сохранения энергии и импульса для системы фотон - электрон: где m0c2 - энергия неподвижного электрона; hv - энергия фотона до столкновения; hv' - энергия фотона после столкновения, P и p' - импульсы фотона до и после столкновения; mv - импульс электрона после столкновения с фотоном. Решение системы уравнений для энергии и импульса с учетом того, что дает формулу для измерения длины волны при рассеянии фотона на (неподвижных) электронах: где - так называемая комптоновская длина волны.

Корпускулярно-волновой дуализм Свет обладает двумя свойствами: 1. При распространении он проявляет волновые свойства. 2. При взаимодействии с веществом проявляет корпускулярные свойства. Чем больше v, тем ярче выражены квантовые свойства света и менее - волновые. Итак, всякому излучению присущи одновременно волновые и квантовые свойства. Поэтому то, как проявляет себя фотон - как волна или как частица,—зависит от характера проводимого над ним исследования.