Фотоны

Фотоны

К концу XIX в. сложилось общепринятое мнение, что свет имеет волновую природу. Подобно обычной волне световая, т. е. электромагнитная, волна характеризуется определенной частотой своих колебаний, не изменяющейся при переходе излучения из одной среды в другую. Длина электромагнитной волны λ и ее частота v связаны между собой простым соотношением:

λ = с

где с — скорость света.

С точки зрения волновой теории, обычный дневной свет представляет собой набор электромагнитных волн с различными λ. При прохождении через треугольную стеклянную призму он разлагается на составные цвета образуя радужный спектр. Волновой природой свет легко объясняются очень многие оптические явления, на пример отражение, рассеяние, лучепреломление и интерференция. Однако с помощью таких представлений не удается объяснить закономерности, наблюдаемые при фотоэффекте.

Если металлическую поверхность облучать светом достаточно малой длиной волны, например ультрафиолетовым, из нее начинают вылетать электроны — явление, называемое фотоэффектом. Испускание электронов происходит только в том случае, когда длина волны падающего света меньше определенной величины λ0,. при чем эта граница зависит только от природы металла. При λ<λ0 вылетевшие из металла электроны обладаю кинетической энергией. Т = (mυ2)/2 По законам классической физики кинетическая энергия должна зависеть от интенсивности падающего света. В действительности же этого не наблюдается.

В 1900 г. профессор Берлинского университета Мак Планк, изучив лучеиспускание раскаленных тел, пришёл к выводу, что световая энергия излучается и поглощается отдельными порциями — квантами. Энергия Е отдельного кванта выражается уравнением

= hv,

где h — постоянная Планка, равная 6,625•10-34 дж/сек.

Вскоре Альберт Эйнштейн сделал из полученных Планком результатов следующий логический вывод: не только процесс испускания и поглощения световой энергии происходит скачкообразно, но и само это излучение представляет собой поток фотонов — квантов энергии hv, которое можно рассматривать как атомы света.

Фотоны летят в пустоте со скоростью 300 000 км/сек и обглодают определенной массой. Массу движущегося фотона можно рассчитать с помощью уравнений Эйнштейна (Е тс2) и Планка (E=hv). Приравнивая правые части этих уравнений друг другу, получаем:

тфс2 = hv,

откуда

тф = hv/с2

или

тфс2 = (h/c)•(1/λ)

Фотон существует только в процессе движения, его масса покоя равна нулю. В этом коренное отличие фотонов от электронов, протонов и некоторых других материальных частиц.

С помощью квантовой теории А. Эйнштейн объяснил наблюдаемые при фотоэффекте закономерности.

Чтобы выбить электрон из металла, необходимо затратить определенное количество энергии Е0 (работа выхода). Падающий на металлическую поверхность свет состоит из фотонов с энергией hv. Энергия каждого поглощенного атомом металла фотона полностью передается электрону. Можно составить уравнение энергетического баланса:

hv = Е0 + (1/2)mυ2

Где hv энергия поглаженного фотона, ЕРабота выхода электрона из металла, (1/2)mυКинетическая энергия вылетевшего электрона

Если падающие на поверхность фотоны имеют энергию , меньшую, чем Е0электрон не покидает металл; если жеЕФ0, то электрон вылетает из металла и обладает кинетической энергией Т, величина которой не зависит от интенсивности облучения, т. е. «концентрации» фотонов в пучке падающего света.

Статья на тему Фотоны