что такое квантовый выход

Внутренний и внешний квантовый выход излучения, коэффициент полезного действия (к. п. д.)

Активная область идеального светодиода испускает один фотон на каждый инжектированный в нее электрон, т.е. каждый электрон генерирует один световой квант (фотон). Поэтому квантовый выход излучения активной области идеального светодиода равен единице. Внутренний квантовый выход излучения светодиода (или его внутренняя эффективность) определяется отношением числа рожденных в его активной области фотонов к числу инжектированных в нее электронов в единицу времени (секунду), т. е.

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

где Pint —мощность оптического излучения из активной области светодиода,I—ток инжекции.

Желательно, чтобы все фотоны, испускаемые активной областью, выходили за пределы светодиода. Именно так и должно происходить в идеальных светодиодах, внешний квантовый выход излучения которых равен единице. Однако в реальных светодиодах часть фотонов все же остается внутри полупроводника.

• Они могут быть поглощены подложкой светодиода, если она обладает способностью поглощать излучение данной длины волны.

• Они могут столкнуться с металлической поверхностью контакта и также поглотиться ею, что неминуемо ведет к снижению квантового выхода.

Кроме того, существует полное внутреннее отражение, заключающееся в локализации света внутри структуры, что также снижает вероятность выхода фотонов за пределы полупроводника. Поэтому вводится коэффициент оптического вывода излучения, определяемый

как отношение числа фотонов, излученных светодиодом, к числу фотонов, образованных в активной области в единицу времени (секунду):

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

где Р — мощность оптического излучения, выходящего за пределы светодиода.

Этот параметр отражает качество светодиода. Без применения сложных и дорогих технологических процессов практически невозможно сделать светодиод с ηextract> 50%.

Внешний квантовый выход излучения светодиода определяется отношением числа фотонов, испущенных светодиодом к числу инжектированных электронов в единицу времени (секунду): что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) светодиода определяется какчто такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

где I•V— электрическая мощность, подведенная к светодиоду.

Упражнение. Определение квантового выхода излучения светодиода

Рассматривается светодиод с пороговым напряжением, равным Vth= Ед/е = 2 В, и дифференциальным сопротивлениемRs= 20 Ом. Вольтамперная характеристика такого светодиода при прямом смещении имеет вид:V = Vth+ IRs.При пропускании через диод тока I = 20 мА его оптическая мощность составляет Р = 4 мВт приhv=Eg.Требуется определить внутренний и внешний квантовый выход излучения светодиода, а также его к. п. д. Предполагается, что ηextract= 50%.

Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.

Источник

КВАНТОВЫЙ ВЫХОД

Смотреть что такое «КВАНТОВЫЙ ВЫХОД» в других словарях:

квантовый выход — люминесценции; квантовый выход Отношение числа фотонов люминесценции к числу поглощенных фотонов … Политехнический терминологический толковый словарь

квантовый выход — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN quantum efficiency … Справочник технического переводчика

квантовый выход — kvantinis našumas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Optoelektroninį ar kitokį kvantinį įtaisą apibūdinantis dydis, išreiškiamas jo išėjime pasirodančių ir į jo įėjimą patenkančių elementariųjų dalelių skaičių dalmeniu.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

квантовый выход — kvantinė išeiga statusas T sritis chemija apibrėžtis Sureagavusių dalelių ir sugertų šviesos kvantų santykis. atitikmenys: angl. quantum yield rus. квантовый выход … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

квантовый выход — kvantinis našumas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. quantum efficiency; quantum yield vok. Quantenausbeute, f rus. квантовый выход, m pranc. rendement quantique, m … Fizikos terminų žodynas

КВАНТОВЫЙ ВЫХОД — см. Фотохимические реакции … Химическая энциклопедия

квантовый выход люминесценции — квантовый выход Отношение числа фотонов люминесценции к числу поглощенных фотонов. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 75. Квантовая электроника. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1984 г.] Тематики квантовая… … Справочник технического переводчика

квантовый выход люминесценции — квантовый выход люминесценции; квантовый выход Отношение числа фотонов люминесценции к числу поглощенных фотонов … Политехнический терминологический толковый словарь

квантовый выход приемника излучения — Отношение числа фотонов, вызвавших реакцию приемника излучения, к общему числу фотонов, поглощенных чувствительным элементом приемника. Примечание Понятие «квантового выхода приемника излучения» не применяется к тепловым приемникам.… … Справочник технического переводчика

квантовый выход фотопроцесса — (η) Отношение числа актов фотопроцесса к числу актов оптического возбуждения (одно или многоквантового) системы. [ГОСТ 7601 78] Тематики оптика, оптические приборы и измерения Обобщающие термины оптические параметры и характеристики веществ и … Справочник технического переводчика

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Понятие квантового выхода ср имеет большое значение в фотохимии. В первоначальном определении это есть число превращенных молекул, отнесенное к числу поглощенных фотонов света. [1]

Понятие квантового выхода фотолюминесценции приобретает эвристический смысл только в тех случаях, когда спектр испускания не зависит от частоты возбуждающего света. С подобной ситуацией мы сталкиваемся в сложных системах, в которых спектр испускания возникает при переходах только с самого нижнего из возбужденных электронных состояний и не зависит от запаса колебательной энергии, полученной при возбуждении. В таких системах вероятности внутримолекулярных неоптических переходов значительно превосходят вероятности соответствующих оптических переходов, быстро происходит процесс внутримолекулярного перераспределения энергии и перед актом испускания света молекула оказывается в состоянии 2 ( см. рис. 1.2, а), практически независимо от способа возбуждения. [2]

Наряду с энергетическим выходом люминесценции вводится понятие квантового выхода как отношение числа испущенных квантов люминесценции к числу поглощенных квантов. [4]

При изучении химических реакций в электрических разрядах рационально пользоваться понятием выход химической реакции на 1 актива-ционное соударение электрона с молекулой ( величина Y в работе [9]), аналогичное понятию квантового выхода химической реакции в фотохимии [10], равное отношению числа молекул продуктов реакции к числу активационных соударений, производимых электронами. Для реакции образования озона в разряде выход озона на 1 активационное соударение электрона с молекулой кислорода равен 2, так же как и квантовый выход при фотохимическом образовании озона. [9]

Очевидно, что понятие квантового выхода справедливо, строго говоря, только для монохроматического излучения. [10]

Величину отношения излучаемой энергии к поглощаемой называют выходом люминесценции. В случае фотолюминесценции вводится также понятие квантового выхода и рассматривается зависимость этого параметра от частоты возбуждающего света. [13]

Эйнштейна, один поглощенный квант света вызывает один элементарный акт в веществе. Для количеств, характеристики действия света вводят понятие квантового выхода г, определяемого как отношение ср. JVa, возникших под действием Л поглощенных квантов света, к числу этих квантов: r Na / N. ВЫХОД не может превышать единицу. [14]

Источник

Физика. 11 класс

Конспект урока

Урок 22. Фотоэффект

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. которую нужно сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 153 – 158.

4. Тульчинский М. Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ. и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 157.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.

Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.

Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:

После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.

Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.

В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.

Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

где Ав – работа выхода электронов;

h – постоянная Планка;

λкр – длина волны, соответствующая красной границе.

Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

где что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход— максимальная кинетическая энергия электронов;

Е – заряд электрона;

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход– задерживающее напряжение.

Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Примеры и разбор решения заданий

1. Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается.

2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ0 = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.

Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны:

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода:

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

Запишем выражение для запирающего напряжения – условие равенства максимальной кинетической энергии электрона и изменения его потенциальной энергии при перемещении в электростатическом поле:

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

Подставляя численные значения, получаем: λ ≈ 215 нм.

Источник

Фотоэффект

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: гипотеза М.Планка о квантах, фотоэффект, опыты А.Г.Столетова, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Фотоэффект — это выбивание электронов из вещества падающим светом. Явление фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем в 1887 году в ходе его знаменитых экспериментов по излучению электромагнитных волн.
Напомним, что Герц использовал специальный разрядник (вибратор Герца) — разрезанный пополам стержень с парой металлических шариков на концах разреза. На стержень подавалось высокое напряжение, и в промежутке между шариками проскакивала искра. Так вот, Герц обнаружил, что при облучении отрицательно заряженного шарика ультрафиолетовым светом проскакивание искры облегчалось.

Герц, однако, был поглощён исследованием электромагнитных волн и не принял данный факт во внимание. Год спустя фотоэффект был независимо открыт русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Тщательные экспериментальные исследования, проведённые Столетовым в течение двух лет, позволили сформулировать основные законы фотоэффекта.

Опыты Столетова

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

Рис. 1. Фотоэлемент Столетова

Сейчас на катод подан «минус», а на анод — «плюс», но можно сделать и наоборот (и эта перемена знака — существенная часть опытов Столетова). Напряжению на электродах приписывается тот знак, который подан на анод (Поэтому поданное на электроды напряжение часто называют анодным напряжением). В данном случае, например, напряжение положительно.

В опытах Столетова можно независимо варьировать три величины: анодное напряжение, интенсивность света и его частоту.

Зависимость фототока от напряжения

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

Рис. 2. Характеристика фотоэлемента

Если напряжение отрицательно и велико по модулю, то фототок отсутствует. Это легко понять: электрическое поле, действующее на электроны со стороны катода и анода, является тормозящим (на катоде «плюс», на аноде «минус») и обладает столь большой величиной, что электроны не в состоянии долететь до анода. Начального запаса кинетической энергии не хватает — электроны теряют свою скорость на подступах к аноду и разворачиваются обратно на катод. Максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов оказывается меньше, чем модуль работы поля при перемещении электрона с катода на анод:

Здесь кг — масса электрона, Кл — его заряд.

Будем постепенно увеличивать напряжение, т.е. двигаться слева направо вдоль оси из далёких отрицательных значений.

Таким образом, величина задерживающего напряжения позволяет определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

При небольшом превышении задерживающего напряжения появляется слабый фототок. Его формируют электроны, вылетевшие с максимальной кинетической энергией почти точно вдоль оси колбы (т.е. почти перпендикулярно катоду): теперь электронам хватает этой энергии, чтобы добраться до анода с ненулевой скоростью и замкнуть цепь. Остальные электроны, которые имеют меньшие скорости или полетели в сторону от анода, на анод не попадают.

При повышении напряжения фототок увеличивается. Анода достигает большее количество электронов, вылетающих из катода под всё большими углами к оси колбы. Обратите внимание, что фототок присутствует при нулевом напряжении!

Когда напряжение выходит в область положительных значений, фототок продолжает возрастать. Оно и понятно: электрическое поле теперь разгоняет электроны, поэтому всё большее их число получают шанс оказаться на аноде. Однако достигают анода пока ещё не все фотоэлектроны. Например, электрон, вылетевший с максимальной скоростью перпендикулярно оси колбы (т.е. вдоль катода), хоть и развернётся полем в нужном направлении, но не настолько сильно, чтобы попасть на анод.

Почему? Дело в том, что напряжение, ускоряющее электроны, становится настолько велико, что анод захватывает вообще все электроны, выбитые из катода — в каком бы направлении и с какими бы скоростями они не начинали движение. Стало быть, дальнейших возможностей увеличиваться у фототока попросту нет — ресурс, так сказать, исчерпан.

Законы фотоэффекта

Величина тока насыщения — это, по существу, количество электронов, выбиваемых из катода за одну секунду. Будем менять интенсивность света, не трогая частоту. Опыт показывает, что ток насыщения меняется пропорционально интенсивности света.

Первый закон фотоэффекта. Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте).

Ничего неожиданного в этом нет: чем больше энергии несёт излучение, тем ощутимее наблюдаемый результат. Загадки начинаются дальше.

А именно, будем изучать зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты и интенсивности падающего света. Сделать это несложно: ведь в силу формулы (1) нахождение максимальной кинетической энергии выбитых электронов фактически сводится к измерению задерживающего напряжения.

Сначала меняем частоту излучения при фиксированной интенсивности. Получается такой график (рис. 3 ):

что такое квантовый выход. Смотреть фото что такое квантовый выход. Смотреть картинку что такое квантовый выход. Картинка про что такое квантовый выход. Фото что такое квантовый выход

Рис. 3. Зависимость энергии фотоэлектронов от частоты света

Все эти факты нашли отражение во втором и третьем законах фотоэффекта.

Второй закон фотоэффекта. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Трудности классического объяснения фотоэффекта

Как можно было бы объяснить фотоэффект с точки зрения классической электродинамики и волновых представлений о свете?

В переменном электрическом поле световой волны электрон начинает совершать колебания.

И если энергия колебаний превысит работу выхода, то электрон будет вырван из вещества.

Однако в рамках таких представлений невозможно понять второй и третий законы фотоэффекта. Действительно, почему кинетическая энергия выбитых электронов не зависит от интенсивности излучения? Ведь чем больше интенсивность, тем больше напряжённость электрического поля в электромагнитной волне, тем больше сила, действующая на электрон, тем больше энергия его колебаний и с тем большей кинетической энергией электрон вылетит из катода. Логично? Логично. Но эксперимент показывает иное.

Далее, откуда берётся красная граница фотоэффекта? Чем «провинились» низкие частоты? Казалось бы, с ростом интенсивности света растёт и сила, действующая на электроны; поэтому даже при низкой частоте света электрон рано или поздно будет вырван из вещества — когда интенсивность достигнет достаточно большого значения. Однако красная граница ставит жёсткий запрет на вылет электронов при низких частотах падающего излучения.

Кроме того, неясна безынерционность фотоэффекта. Именно, при освещении катода излучением сколь угодно слабой интенсивности (с частотой выше красной границы) фотоэффект начинается мгновенно — в момент включения освещения. Между тем, казалось бы, электронам требуется некоторое время для «расшатывания» связей, удерживающих их в веществе, и это время «раскачки» должно быть тем больше, чем слабее падающий свет. Аналогия такая: чем слабее вы толкаете качели, тем дольше придётся их раскачивать до заданной амплитуды.

Выглядит опять-таки логично, но опыт — единственный критерий истины в физике! — этим доводам противоречит.

Так на рубеже XIX и XX столетий в физике возникла тупиковая ситуация: электродинамика, предсказавшая существование электромагнитных волн и великолепно работающая в диапазоне радиоволн, отказалась объяснять явление фотоэффекта.

Выход из этого тупика был найден Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он нашёл простое уравнение, описывающее фотоэффект. Все три закона фотоэффекта оказались следствиями уравнения Эйнштейна.

Главная заслуга Эйнштейна состояла в отказе от попыток истолковать фотоэффект с позиций классической электродинамики. Эйнштейн привлёк к делу смелую гипотезу о квантах, высказанную Максом Планком пятью годами ранее.

Гипотеза Планка о квантах

Классическая электродинамика отказалась работать не только в области фотоэффекта. Она также дала серьёзный сбой, когда её попытались использовать для описания излучения нагретого тела (так называемого теплового излучения).

Суть проблемы состояла в том, что простая и естественная электродинамическая модель теплового излучения приводила к бессмысленному выводу: любое нагретое тело, непрерывно излучая, должно постепенно потерять всю свою энергию и остыть до абсолютного нуля. Как мы прекрасно знаем, ничего подобного не наблюдается.

В ходе решения этой проблемы Макс Планк высказал свою знаменитую гипотезу.

Гипотеза о квантах. Электромагнитная энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными неделимыми порциями — квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения:

Cоотношение (2) называется формулой Планка, а коэффициент пропорциональности — постоянной Планка.

Принятие этой гипотезы позволило Планку построить теорию теплового излучения, прекрасно согласующуюся с экспериментом. Располагая известными из опыта спектрами теплового излучения, Планк вычислил значение своей постоянной:

Успешность гипотезы Планка наводила на мысль, что законы классической физики неприменимы к малым частицам вроде атомов или электронов, а также к явлениям взаимодействия света и вещества. Подтверждением данной мысли как раз и послужило явление фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Гипотеза Планка говорила о дискретности излучения и поглощения электромагнитных волн, то есть о прерывистом характере взаимодействия света с веществом. При этом Планк считал, что распространение света — это непрерывный процесс, происходящий в полном соответствии с законами классической электродинамики.

Планк рассматривал свою гипотезу лишь как математический трюк и не решился опровергнуть электродинамику применительно к микромиру. Физической реальностью кванты стали благодаря Эйнштейну.

Фотоны могут обмениваться энергией и импульсом с частицами вещества (об импульсе фотона речь пойдёт в следующем листке); в таком случае мы говорим о столкновении фотона и частицы. В частности, происходит столкновение фотонов с электронами металла катода.

Поглощение света — это поглощение фотонов, то есть неупругое столкновение фотонов с частицами (атомами, электронами). Поглощаясь при столкновении с электроном, фотон передаёт ему свою энергию. В результате электрон получает кинетическую энергию мгновенно, а не постепенно, и именно этим объясняется безынерционность фотоэффекта.

Слагаемое оказывается максимальной кинетической энергией фотоэлектронов. Почему максимальной? Этот вопрос требует небольшого пояснения.

Электроны в металле могут быть свободными и связанными. Свободные электроны «гуляют» по всему металлу, связанные электроны «сидят» внутри своих атомов. Кроме того, электрон может находиться как вблизи поверхности металла, так и в его глубине.

Ясно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона получится в том случае, когда фотон попадёт на свободный электрон в поверхностном слое металла — тогда для выбивания электрона достаточно одной лишь работы выхода.

Во всех других случаях придётся затрачивать дополнительную энергию — на вырывание связанного электрона из атома или на «протаскивание» глубинного электрона к поверхности.

Эти лишние затраты приведут к тому, что кинетическая энергия вылетевшего электрона окажется меньше.

Замечательное по простоте и физической ясности уравнение (4) содержит в себе всю теорию фотоэффекта. Давайте посмотрим, какое объяснение получают законы фотоэффекта с точки зрения уравнения Эйнштейна.

1. Число выбиваемых электронов пропорционально числу поглощённых фотонов. С увеличением интенсивности света количество фотонов, падающих на катод за секунду, возрастает.

Стало быть, пропорционально возрастает число поглощённых фотонов и, соответственно, число выбитых за секунду электронов.

2. Выразим из формулы (4) кинетическую энергию:

Действительно, кинетическая энергия выбитых электронов линейно растёт с частотой и не зависит от интенсивности света.

как раз и будет красной границей фотоэффекта. Как видим, красная граница фотоэффекта определяется только работой выхода, т.е. зависит лишь от вещества облучаемой поверхности катода.

Уравнение Эйнштейна (4) даёт возможность экспериментального нахождения постоянной Планка. Для этого надо предварительно определить частоту излучения и работу выхода материала катода, а также измерить кинетическую энергию фотоэлектронов.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *