Фотоэлектрический эффект и давление света

Автор курса · Команда Небулс

Освобождение электронов светом

При освещении некоторых материалов электроны покидают поверхность. Внешний фотоэффект — испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Число электронов растёт с интенсивностью, но их максимальная энергия определяется частотой, а не яркостью.

Эйнштейн объяснил наблюдения как отдельные столкновения фотонов с электронами. Энергия одного фотона расходуется на выход из вещества и кинетическую энергию электрона:

h ν = A_{вых} + E_{k, m a x}

Уравнение предполагает один фотон на один электрон в обычном слабом поле. Эмиссия начинается практически без задержки, потому что электрон получает квант целиком, а не постепенно накапливает энергию волны.

Слева энергия фотона ниже работы выхода и электрон остаётся в материале; справа энергия достаточна и электрон вылетает.

Красная граница и задерживающее напряжение

Работа выхода $A_{вых}$ — минимальная энергия, необходимая электрону для выхода из данного вещества. Если $h ν < A_{вых}$ , фотоэффект не возникает при любой интенсивности. Пороговая частота и красная граница связаны:

ν_{0} = \frac{A _{вых}}{h}, λ_{0} = \frac{h c}{A _{вых}}

Задерживающее напряжение останавливает даже самые быстрые фотоэлектроны: $e U_{з} = E_{k, m a x}$ . Измеряя $U_{з}$ при разных частотах, можно определить постоянную Планка и работу выхода.

Фототок и применение

При достаточном ускоряющем напряжении все выбитые электроны достигают анода, и ток насыщается. Его величина пропорциональна потоку фотонов, а значит, интенсивности при неизменной частоте. Повышение частоты изменяет энергию электронов, но само по себе не обязано увеличивать их число.

Фотоэффект лежит в основе фотокатодов, датчиков и солнечных элементов; во внутреннем фотоэффекте носители не покидают материал, а переходят в проводящее состояние. Реальные устройства учитывают структуру зон, рекомбинацию и спектральную чувствительность, но квантовый энергетический баланс сохраняется.

Давление света

Фотон переносит импульс, поэтому поглощение или отражение света передаёт импульс поверхности. Для нормально падающего пучка интенсивности $I$ давление равно:

p = \frac{I}{c} при поглощении, p = \frac{2 I}{c} при отражении

При отражении изменение импульса вдвое больше, потому что фотон меняет направление. Давление солнечного света мало в быту, но заметно для частиц космической пыли и может разгонять солнечный парус при длительном действии. Опытное измерение давления подтверждает корпускулярный импульс света.

Александр Столетов исследовал зависимость фототока от условий освещения, а Пётр Лебедев измерил давление света. Эти опыты проверяли разные стороны взаимодействия излучения с веществом: передачу энергии электронам и передачу импульса поверхности. Химическое действие света, например в фотосинтезе или светочувствительном материале, связано с поглощением фотонов, которые позволяют начать превращения молекул; дальнейший процесс зависит от вещества и не сводится к одному выбитому электрону.

Подготавливаем формулы…