Фотонна теория
Тема 2.Теория на фотоните. Фотоелектричен ефект
Откриване на фотоелектричния ефект. Концепцията за фотон. Теория на фотоните. Eефект на електронна лавина.
Фотоелектричният ефект е излъчването на електрони от вещество под действието на светлина (и най-общо казано, всяко електромагнитно излъчване). В кондензирани вещества (твърди и течни) се разграничават външни и вътрешни фотоелектрични ефекти.
През 1839 г. Александър Бекерел наблюдава явлението фотоелектричен ефект в електролит.
През 1873 г. Уилоуби Смит открива, че селенът е фотопроводим. След това ефектът е изследван през 1887 г. от Хайнрих Херц. Когато работеше с отворен резонатор, той забеляза, че ако осветите ултравиолетова светлина върху цинковите искрови междини, тогава преминаването на искрата е значително улеснено.
Изследванията на фотоелектричния ефект показват, че, противно на класическата електродинамика, енергията на излъчения електрон винаги е строго свързана с честотата на падащото лъчение и практически не зависи от интензитета на облъчване.
През 1888-1890 г. българският физик Александър Столетов системно изследва фотоелектричния ефект. Той прави няколко важни открития в тази област, включително първия закон за външния фотоелектричен ефект.
Фотоелектричният ефект е обяснен през 1905 г. от Алберт Айнщайн (за което той получава Нобелова награда през 1921 г. благодарение на номинацията на шведския физик Карл Вилхелм Озеен) въз основа на хипотезата на Макс Планк за квантовата природа на светлината. Работата на Айнщайн съдържа важна нова хипотеза - ако Планк през 1900 г. предполага, че светлината се излъчва само на квантувани порции, тогава Айнщайн вече вярва, че светлината съществува само под формата на квантувани порции. От закона за запазване на енергията, когато светлината е представена под формата на частици (фотони), формулата на Айнщайн за фотоелектричния ефект следва:
където е Aoutт.нар. работна функция (минималната енергия, необходима за отстраняване на електрон от вещество), Ek е кинетичната енергия на излъчен електрон (в зависимост от скоростта кинетичната енергия на релативистка частица може да бъде изчислена или не), ν е честотата на падащ фотон с енергия hν, h е константата на Планк.
От тази формула следва наличието на червената граница на фотоелектричния ефект, тоест съществуването на най-ниската честота, под която фотонната енергия вече не е достатъчна, за да „избие“ електрон от метала. Същността на формулата е, че енергията на фотона се изразходва за йонизация на атом на вещество и за работата, необходима за „издърпване“ на електрон, а остатъкът се превръща в кинетична енергия на електрон.
Изследването на фотоелектричния ефект е едно от най-ранните изследвания на квантовата механика във физиката.
Формулировката на първия закон на фотоелектричния ефект: броят на електроните, изтеглени от светлина от повърхността на метал за единица време при дадена честота, е право пропорционален на светлинния поток, осветяващ метала.
Според втория закон на фотоелектричния ефект максималната кинетична енергия на електроните, изхвърлени от светлината, нараства линейно с честотата на светлината и не зависи от нейния интензитет.
3-ти закон на фотоелектричния ефект: за всяко вещество има червена граница на фотоелектричния ефект, т.е. минималната честота на светлината ν0 (или максималната дължина на вълната λ0), при която фотоелектричният ефект все още е възможен, и ако ν 1 p.