Hiệu ứng quang điện. Các dạng hiệu ứng quang điện. Bách khoa toàn thư lớn về dầu khí

hiệu ứng quang điện được phát hiện vào năm 1887 bởi nhà vật lý người Đức G. Hertz và được A. G. Stoletov nghiên cứu thực nghiệm vào năm 1888-1890. Nghiên cứu đầy đủ nhất về hiện tượng hiệu ứng quang điện được F. Lenard thực hiện vào năm 1900. Đến thời điểm này, electron đã được phát hiện (1897, J. Thomson), và rõ ràng là hiệu ứng quang điện (hoặc, chính xác hơn là hiệu ứng quang điện ngoài) bao gồm việc kéo các electron ra khỏi vật chất dưới tác động của ánh sáng chiếu vào nó.

Bố cục của thiết lập thí nghiệm để nghiên cứu hiệu ứng quang điện được trình bày trong hình. 5.2.1.

Các thí nghiệm sử dụng một bình chân không bằng thủy tinh có hai điện cực kim loại, bề mặt của bình đã được làm sạch kỹ lưỡng. Một điện áp đã được áp dụng cho các điện cực U, cực của nó có thể được thay đổi bằng cách sử dụng một phím đôi. Một trong các điện cực (catốt K) được chiếu qua cửa sổ thạch anh bằng ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ nhất định. Ở quang thông không đổi, sự phụ thuộc của cường độ dòng quang được lấy Tôi từ hiệu điện thế đặt vào. Trên hình. 5.2.2 cho thấy các đường cong điển hình của sự phụ thuộc như vậy, nhận được đối với hai giá trị của cường độ của thông lượng ánh sáng tới catốt.

Các đường cong cho thấy rằng ở điện áp dương đủ cao tại anot A, dòng quang đạt tới bão hòa, vì tất cả các electron bị ánh sáng phóng ra từ catot đều đến được anot. Các phép đo cẩn thận đã chỉ ra rằng dòng điện bão hòa Tôi n tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng tới. Khi hiệu điện thế qua anốt là âm, thì điện trường giữa catốt và anốt làm cho các êlectron chậm lại. Anôt chỉ có thể tiếp cận những êlectron có động năng vượt quá | EU| Nếu điện áp anốt nhỏ hơn - U h, dòng quang dừng. đo lường U h, có thể xác định động năng cực đại của các quang điện tử:

Trước sự ngạc nhiên của các nhà khoa học, giá trị U h hóa ra không phụ thuộc vào cường độ của từ thông ánh sáng tới. Các phép đo cẩn thận đã chỉ ra rằng điện thế chặn tăng tuyến tính khi tăng tần số ν của ánh sáng (Hình 5.2.3).

Nhiều nhà thí nghiệm đã thiết lập các định luật cơ bản sau đây về hiệu ứng quang điện:

1. Động năng cực đại của các quang điện tử tăng tuyến tính khi tăng tần số ánh sáng ν và không phụ thuộc vào cường độ của nó.

2. Với mỗi chất có cái gọi là hiệu ứng ảnh viền đỏ , tức là tần số ν min thấp nhất mà tại đó vẫn có thể xảy ra hiệu ứng quang điện ngoài.

3. Số êlectron bị ánh sáng kéo ra khỏi catốt trong 1 s tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng.

4. Hiệu ứng quang điện thực tế là không quán tính, dòng quang xảy ra ngay sau khi bắt đầu chiếu sáng catốt, với điều kiện tần số ánh sáng ν> ν min.

Tất cả những định luật về hiệu ứng quang điện này về cơ bản mâu thuẫn với những ý tưởng của vật lý cổ điển về sự tương tác của ánh sáng với vật chất. Theo khái niệm sóng, khi tương tác với sóng ánh sáng điện từ, electron sẽ tích lũy dần năng lượng và sẽ mất một thời gian đáng kể, tùy thuộc vào cường độ ánh sáng, electron mới tích lũy đủ năng lượng để bay ra khỏi catốt. Các tính toán cho thấy thời gian này lẽ ra phải được tính bằng phút hoặc giờ. Tuy nhiên, kinh nghiệm cho thấy các quang điện tử xuất hiện ngay sau khi bắt đầu chiếu sáng catốt. Trong mô hình này, người ta cũng không thể hiểu được sự tồn tại của ranh giới đỏ của hiệu ứng quang điện. Lý thuyết sóng của ánh sáng không thể giải thích sự độc lập của năng lượng của quang điện tử với cường độ của thông lượng ánh sáng và tỷ lệ của động năng cực đại với tần số của ánh sáng.

Do đó, lý thuyết điện từ của ánh sáng đã được chứng minh là không thể giải thích được những quy luật này.

A. Einstein đã tìm ra một lối thoát vào năm 1905. Một giải thích lý thuyết về các định luật quan sát được của hiệu ứng quang điện đã được Einstein đưa ra trên cơ sở giả thuyết của M. Planck rằng ánh sáng được phát ra và hấp thụ theo những phần nhất định, và năng lượng của mỗi phần đó được xác định bởi công thức E = h v, ở đâu h là hằng số Planck. Einstein đã thực hiện bước tiếp theo trong việc phát triển các khái niệm lượng tử. Anh ấy đã đi đến kết luận rằng ánh sáng có cấu trúc không liên tục (rời rạc). Một sóng điện từ bao gồm các phần riêng biệt - lượng tử, sau đó được đặt tên photon. Khi tương tác với vật chất, một photon chuyển toàn bộ năng lượng của nó hν thành một electron. Một phần của năng lượng này có thể bị tiêu tán bởi một điện tử khi va chạm với các nguyên tử của vật chất. Ngoài ra, một phần năng lượng electron được sử dụng để vượt qua rào cản thế năng ở mặt phân cách chân không-kim loại. Để làm được điều này, electron phải làm cho chức năng làm việc A tùy thuộc vào tính chất của vật liệu làm catốt. Động năng cực đại mà một quang điện tử phát ra từ catốt có thể có được xác định theo định luật bảo toàn năng lượng:

Công thức này được gọi là Phương trình của Einstein về hiệu ứng quang điện .

Sử dụng phương trình Einstein, người ta có thể giải thích tất cả các quy luật của hiệu ứng quang điện ngoài. Từ phương trình Einstein, sự phụ thuộc tuyến tính của động năng cực đại vào tần số và độc lập với cường độ ánh sáng, sự tồn tại của đường viền màu đỏ và quán tính của hiệu ứng quang điện theo sau. Tổng số các quang điện tử rời khỏi bề mặt catốt trong 1 s tỷ lệ với số photon tới trên bề mặt trong cùng một thời gian. Do đó, dòng điện bão hòa phải tỷ lệ thuận với cường độ của thông lượng ánh sáng.

Theo phương trình Einstein, hệ số góc của đường thẳng biểu thị sự phụ thuộc của thế năng chặn U h từ tần số ν (Hình 5.2.3), bằng tỷ số của hằng số Planck hđiện tích của một electron e:

Điều này làm cho nó có thể xác định bằng thực nghiệm giá trị của hằng số Planck. Các phép đo như vậy được thực hiện vào năm 1914 bởi R. Millikan và cho thấy sự đồng ý tốt với giá trị mà Planck tìm thấy. Các phép đo này cũng giúp xác định chức năng làm việc Một:

ở đâu c- tốc độ ánh sáng, λ cr - bước sóng ứng với viền đỏ của hiệu ứng quang điện. Đối với hầu hết các kim loại, chức năng làm việc Một là một vài vôn electron (1 eV = 1,602 10 -19 J). Trong vật lý lượng tử, electron vôn thường được dùng làm đơn vị năng lượng. Giá trị của hằng số Planck, được biểu thị bằng vôn điện tử trên giây, là

Trong số các kim loại, nguyên tố kiềm có chức năng hoạt động thấp nhất. Ví dụ, natri Một= 1,9 eV, ứng với viền đỏ của hiệu ứng quang điện λcr ≈ 680 nm. Vì vậy, các hợp chất của kim loại kiềm được dùng để tạo ra catot trong tế bào quang điện được thiết kế để phát hiện ánh sáng nhìn thấy.

Vì vậy, các định luật về hiệu ứng quang điện chỉ ra rằng ánh sáng, khi phát ra và hấp thụ, hoạt động giống như một dòng hạt được gọi là photon hoặc lượng tử ánh sáng .

Năng lượng photon là

nó theo sau rằng photon có động lượng

Vì vậy, học thuyết về ánh sáng, sau khi hoàn thành một cuộc cách mạng kéo dài hai thế kỷ, lại quay trở lại với những ý tưởng về hạt ánh sáng - tiểu thể.

Nhưng đây không phải là sự trở lại cơ học đối với lý thuyết phân tử của Newton. Vào đầu thế kỷ 20, rõ ràng ánh sáng có bản chất kép. Khi ánh sáng truyền đi, tính chất sóng của nó xuất hiện (giao thoa, nhiễu xạ, phân cực), và khi tương tác với vật chất, thể hiện (hiệu ứng quang điện). Bản chất kép này của ánh sáng được gọi là lưỡng tính sóng-hạt về điều mà Lomonosov đã nói. Sau đó, bản chất kép được phát hiện trong các electron và các hạt cơ bản khác. Vật lý cổ điển không thể đưa ra một mô hình trực quan về sự kết hợp của các đặc tính sóng và phân tử của các vật thể vi mô. Chuyển động của các vật thể vi mô không được điều khiển bởi các định luật của cơ học Newton cổ điển, mà bởi các định luật của cơ học lượng tử. Lý thuyết bức xạ vật đen do M. Planck phát triển và lý thuyết lượng tử của Einstein về hiệu ứng quang điện làm nền tảng cho khoa học hiện đại này.

Ông bày tỏ một giả thuyết: ánh sáng được phát ra và hấp thụ bởi các phần riêng biệt - lượng tử (hoặc photon). Năng lượng của mỗi photon được xác định theo công thức E= h ν , ở đâu h- Hằng số Planck, bằng 6,63. 10 -34 J. s, ν là tần số của ánh sáng. Giả thuyết của Planck đã giải thích được nhiều hiện tượng: đặc biệt là hiện tượng hiệu ứng quang điện do nhà khoa học người Đức Heinrich Hertz phát hiện năm 1887 và nhà khoa học người Nga A. G. Stoletov đã nghiên cứu thực nghiệm.

hiệu ứng quang điện — Đây là hiện tượng phát ra êlectron của một chất dưới tác dụng của ánh sáng.

Kết quả của nghiên cứu, ba định luật về hiệu ứng quang điện đã được thiết lập:

1. Cường độ dòng điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ ánh sáng chiếu xuống bề mặt vật thể.

2. Động năng cực đại của quang êlectron tăng tuyến tính với tần số ánh sáng và không phụ thuộc vào cường độ của nó.

3. Nếu tần số của ánh sáng nhỏ hơn tần số cực tiểu nào đó xác định đối với một chất nhất định thì hiệu ứng quang điện không xảy ra.

Sự phụ thuộc của dòng quang vào điện áp được thể hiện trong Hình 36.

Lý thuyết về hiệu ứng quang điện được nhà khoa học người Đức A. Einstein đặt ra vào năm 1905. Lý thuyết của Einstein dựa trên khái niệm về hàm làm việc của các electron từ kim loại và khái niệm về sự phát xạ ánh sáng lượng tử. Theo lý thuyết của Einstein, hiệu ứng quang điện có cách giải thích như sau: bằng cách hấp thụ một lượng tử ánh sáng, một êlectron thu được năng lượng hv. Khi rời khỏi kim loại, năng lượng của mỗi êlectron giảm đi một số tiền nhất định, được gọi là chức năng làm việc(Hết). Chức năng làm việc là công việc cần thiết để loại bỏ một electron khỏi kim loại. Năng lượng cực đại của êlectron sau khi khởi hành (nếu không có tổn thất nào khác) là: mv 2/2 \ u003d hv - Hết, Phương trình này được gọi là phương trình Einstein .

Nếu một hν< Và khi đó hiệu ứng quang điện không xảy ra. Có nghĩa, hiệu ứng ảnh viền đỏ bằng ν phút = A out / h

Các thiết bị dựa trên nguyên tắc hoạt động là hiện tượng hiệu ứng quang điện được gọi là các yếu tố ảnh. Thiết bị đơn giản nhất như vậy là một tế bào quang chân không. Nhược điểm của tế bào quang điện như vậy là: dòng điện thấp, độ nhạy thấp với bức xạ sóng dài, khó chế tạo, không thể sử dụng trong mạch Dòng điện xoay chiều. Nó được sử dụng trong phép đo quang để đo cường độ sáng, độ sáng, độ chiếu sáng, trong điện ảnh để tái tạo âm thanh, trong máy ghi âm và điện thoại quang, trong quản lý quy trình sản xuất.

Có những tế bào quang bán dẫn, trong đó, dưới tác động của ánh sáng, nồng độ của các hạt tải điện hiện tại thay đổi. Chúng được sử dụng để điều khiển tự động mạch điện (ví dụ, trong cửa quay tàu điện ngầm), trong mạch dòng điện xoay chiều, là nguồn dòng điện không thể tái tạo trong đồng hồ, máy vi tính, những chiếc ô tô năng lượng mặt trời đầu tiên đang được thử nghiệm, chúng được sử dụng trong Tấm năng lượng mặt trời trên các vệ tinh nhân tạo của Trái đất, các trạm tự động liên hành tinh và quỹ đạo.


Hiện tượng hiệu ứng quang điện gắn liền với các quá trình quang hóa xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng trong vật liệu ảnh.

Giới thiệu

1. Lịch sử phát hiện ra hiệu ứng quang điện

2. Luật Stoletov

3. Phương trình Einstein

4. Hiệu ứng quang điện bên trong

5. Ứng dụng của hiện tượng hiệu ứng quang điện

Thư mục


Giới thiệu

Nhiều hiện tượng quang học đã được giải thích một cách nhất quán trên cơ sở các ý tưởng về bản chất sóng của ánh sáng. Tuy nhiên, trong cuối XIX- đầu TK XX. Các hiện tượng như hiệu ứng quang điện, tia X, hiệu ứng Compton, bức xạ của nguyên tử và phân tử, bức xạ nhiệt, và những hiện tượng khác đã được phát hiện và nghiên cứu, việc giải thích chúng theo quan điểm sóng hóa ra là không thể. Một lời giải thích về các sự kiện thực nghiệm mới đã được thu thập trên cơ sở các ý tưởng về bản chất của ánh sáng. Một tình huống nghịch lý đã nảy sinh, liên quan đến việc sử dụng các mô hình vật lý hoàn toàn trái ngược nhau của một sóng và một hạt để giải thích các hiện tượng quang học. Trong một số hiện tượng, ánh sáng thể hiện tính chất sóng, trong những hiện tượng khác - vật thể.

Trong số các hiện tượng khác nhau, trong đó tác động của ánh sáng lên vật chất được biểu hiện, một vị trí quan trọng được hiệu ứng quang điện, nghĩa là, sự phát xạ electron của một chất dưới tác động của ánh sáng. Việc phân tích hiện tượng này đã dẫn đến ý tưởng về lượng tử ánh sáng và đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong sự phát triển của các khái niệm lý thuyết hiện đại. Đồng thời, hiệu ứng quang điện được sử dụng trong tế bào quang đã nhận độc quyền ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ đa dạng nhất và hứa hẹn những triển vọng thậm chí còn phong phú hơn.

1. Lịch sử phát hiện ra hiệu ứng quang điện

Việc phát hiện ra hiệu ứng quang điện nên được cho là vào năm 1887, khi Hertz phát hiện ra rằng việc chiếu sáng các điện cực có khe hở tia lửa điện dưới hiệu điện thế bằng ánh sáng cực tím tạo điều kiện cho tia lửa giữa chúng phát triển.

Hiện tượng do Hertz phát hiện có thể được quan sát trong một thí nghiệm dễ thực hiện sau đây (Hình 1).

Giá trị của khe hở tia lửa F được chọn sao cho trong mạch gồm máy biến áp T và tụ điện C, tia lửa điện nhảy lên một cách khó khăn (một hoặc hai lần mỗi phút). Nếu chiếu các điện cực F làm bằng kẽm nguyên chất bằng ánh sáng của đèn thủy ngân Hg, thì sự phóng điện của tụ điện được tạo điều kiện rất nhiều: tia lửa bắt đầu nhảy. 1. Sơ đồ thí nghiệm của Hertz.

Hiệu ứng quang điện được giải thích vào năm 1905 bởi Albert Einstein (mà ông đã nhận được giải thưởng Nobel) dựa trên giả thuyết của Max Planck về bản chất lượng tử của ánh sáng. Công trình của Einstein chứa đựng một giả thuyết mới quan trọng - nếu Planck cho rằng ánh sáng chỉ được phát ra ở những phần lượng tử, thì Einstein đã tin rằng ánh sáng chỉ tồn tại ở dạng những phần lượng tử. Từ khái niệm ánh sáng là các hạt (photon), công thức của Einstein về hiệu ứng quang điện ngay sau đây:

, là động năng của electron phát ra, là công của chất đã cho, là tần số của ánh sáng tới, là hằng số Planck, hóa ra hoàn toàn giống như trong công thức Planck về bức xạ vật đen.

Từ công thức này tuân theo sự tồn tại của ranh giới đỏ của hiệu ứng quang điện. Do đó, các nghiên cứu về hiệu ứng quang điện là một trong những nghiên cứu cơ học lượng tử sớm nhất.

2. Luật Stoletov

Lần đầu tiên (1888–1890), phân tích cụ thể hiện tượng hiệu ứng quang điện, nhà vật lý người Nga A.G. Stoletov đã thu được những kết quả quan trọng về cơ bản. Không giống như các nhà nghiên cứu trước đó, ông đã lấy một sự khác biệt nhỏ về tiềm năng giữa các điện cực. Sơ đồ thí nghiệm của Stoletov được trình bày trong hình. 2.

Hai điện cực (một ở dạng lưới, còn lại là phẳng), nằm trong chân không, được gắn vào pin. Ampe kế đi kèm trong mạch được sử dụng để đo cường độ dòng điện thu được. Chiếu vào catốt bằng ánh sáng có bước sóng khác nhau, Stoletov đi đến kết luận rằng tia cực tím có tác dụng hiệu quả nhất. Ngoài ra, người ta thấy rằng cường độ của dòng điện được tạo ra bởi tác động của ánh sáng tỷ lệ thuận với cường độ của nó.

Năm 1898, Lenard và Thomson, sử dụng phương pháp làm lệch điện tích trong điện và từ trường xác định điện tích riêng của các hạt mang điện phóng ra 2. Sơ đồ thí nghiệm của Stoletov.

ánh sáng từ catốt, và nhận được biểu thức

Đơn vị SGSE s / g, trùng với điện tích riêng đã biết của êlectron. Từ đó dẫn đến việc dưới tác dụng của ánh sáng, các điện tử bị đẩy ra khỏi vật liệu của catốt.

Bằng cách tổng hợp các kết quả thu được, sau hoa văn hiệu ứng quang điện:

1. Với thành phần quang phổ không đổi của ánh sáng, cường độ của dòng quang bão hòa tỷ lệ thuận với thông lượng ánh sáng tới trên catốt.

2. Động năng ban đầu của các êlectron do ánh sáng phóng ra tăng tuyến tính với tần số của ánh sáng và không phụ thuộc vào cường độ của nó.

3. Hiệu ứng quang điện không xảy ra nếu tần số của ánh sáng nhỏ hơn một giá trị nào đó đặc trưng của mỗi kim loại

gọi là viền đỏ.

Dạng đầu tiên của hiệu ứng quang điện, cũng như sự xuất hiện của bản thân hiệu ứng quang điện, có thể dễ dàng giải thích dựa trên các định luật vật lý cổ điển. Thật vậy, trường ánh sáng, tác động lên các electron bên trong kim loại, kích thích dao động của chúng. Biên độ của dao động cưỡng bức có thể đạt đến giá trị nào mà êlectron rời kim loại; thì người ta quan sát được hiệu ứng quang điện.

Theo lý thuyết cổ điển, cường độ ánh sáng tỷ lệ thuận với bình phương vectơ điện, số êlectron phóng ra tăng khi cường độ ánh sáng tăng.

Định luật thứ hai và thứ ba của hiệu ứng quang điện không được giải thích bằng các định luật vật lý cổ điển.

Nghiên cứu sự phụ thuộc của dòng quang (Hình 3), xảy ra khi một kim loại được chiếu xạ bằng một luồng ánh sáng đơn sắc, vào hiệu điện thế giữa các điện cực (sự phụ thuộc như vậy thường được gọi là đặc tính vôn-ampe của dòng quang), người ta nhận thấy rằng: 1) dòng quang không chỉ xảy ra ở

, mà còn cho; 2) dòng quang khác nhau từ 0 đến một giá trị âm của hiệu điện thế được xác định chặt chẽ đối với một kim loại nhất định, cái gọi là điện thế làm chậm; 3) độ lớn của điện thế chặn (trễ) không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng tới; 4) dòng quang tăng khi giảm giá trị tuyệt đối của điện thế hãm; 5) giá trị của dòng quang tăng khi tăng trưởng và từ một giá trị nhất định dòng quang (cái gọi là dòng điện bão hòa) trở nên không đổi; 6) giá trị của dòng điện bão hòa tăng khi cường độ ánh sáng tới tăng; 7) giá trị của độ trễ 3. Tính năng

thế năng phụ thuộc vào tần số của ánh sáng tới; dòng quang.

8) Tốc độ của êlectron bị đẩy ra dưới tác dụng của ánh sáng không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mà chỉ phụ thuộc vào tần số của nó.


3. Phương trình Einstein

Hiện tượng hiệu ứng quang điện và tất cả các định luật của nó đều được giải thích bằng thuyết lượng tử ánh sáng, thuyết này khẳng định bản chất lượng tử của ánh sáng.

Như đã lưu ý, Einstein (1905), phát triển lý thuyết lượng tử của Planck, đã đưa ra ý tưởng rằng không chỉ bức xạ và hấp thụ, mà cả sự truyền ánh sáng cũng xảy ra theo các phần (lượng tử), năng lượng và động lượng của chúng.

Các chủ đề của bộ mã hóa USE Từ khóa: Giả thuyết của M.Planck về lượng tử, hiệu ứng quang điện, thí nghiệm của A.G.Stoletov, phương trình của Einstein về hiệu ứng quang điện.

hiệu ứng quang điện là sự đánh bật các êlectron ra khỏi một chất bằng ánh sáng tới. Hiệu ứng quang điện được Heinrich Hertz phát hiện năm 1887 trong các thí nghiệm nổi tiếng của ông về sự phát ra sóng điện từ.
Nhớ lại rằng Hertz đã sử dụng một khe hở tia lửa điện đặc biệt (bộ rung Hertz) - một thanh được cắt làm đôi với một cặp bi kim loại ở hai đầu vết cắt. Một điện áp cao được đặt vào thanh, và một tia lửa bùng lên giữa các quả bóng. Vì vậy, Hertz nhận thấy rằng khi một quả cầu tích điện âm được chiếu xạ bằng tia cực tím, tia lửa sẽ được tạo điều kiện thuận lợi.

Tuy nhiên, Hertz say mê nghiên cứu về sóng điện từ và không tính đến thực tế này. Một năm sau, hiệu ứng quang điện được phát hiện độc lập bởi nhà vật lý người Nga Alexander Grigoryevich Stoletov. Các nghiên cứu thực nghiệm cẩn thận do Stoletov thực hiện trong suốt hai năm đã giúp hình thành các định luật cơ bản của hiệu ứng quang điện.

Thử nghiệm của Stoletov

Trong các thí nghiệm nổi tiếng của mình, Stoletov đã sử dụng một tế bào quang điện do chính mình thiết kế ( Tế bào quang điện thiết bị nào có khả năng quan sát hiệu ứng quang điện được gọi là. Sơ đồ của nó được thể hiện trong Hình. một .

Cơm. 1. Tế bào quang Stoletov

Hai điện cực được đưa vào một bình thủy tinh, từ đó không khí được bơm ra ngoài (để không cản trở sự bay của các electron): một cực âm bằng kẽm và một cực dương. Một điện áp được đặt vào catốt và anốt, giá trị của chúng có thể thay đổi được bằng cách sử dụng chiết áp và được đo bằng vôn kế.

Bây giờ dấu "trừ" được áp dụng cho cực âm và "dấu cộng" được áp dụng cho cực dương, nhưng nó có thể được thực hiện ngược lại (và sự thay đổi dấu hiệu này là một phần thiết yếu trong các thí nghiệm của Stoletov). Hiệu điện thế trên các điện cực quy về dấu hiệu đặt vào anôt (Do đó, hiệu điện thế đặt vào các điện cực thường được gọi là điện áp cực dương). TẠI trường hợp này, ví dụ, điện áp là dương.

Cực âm được chiếu tia UV qua một cửa sổ thạch anh đặc biệt được làm trong bình (thủy tinh hấp thụ tia cực tím, và thạch anh truyền qua). Tia cực tím bật ra các êlectron ra khỏi catôt được tăng tốc bằng hiệu điện thế bay về anôt. Milimét có trong thanh ghi mạch điện. Dòng điện này được gọi là dòng quang, và các điện tử bị loại ra tạo ra nó được gọi là quang điện tử.

Trong các thí nghiệm của Stoletov, ba đại lượng có thể thay đổi độc lập: điện áp ở anot, cường độ ánh sáng và tần số của nó.

Dòng điện so với điện áp

Bằng cách thay đổi độ lớn và dấu hiệu của điện áp anốt, người ta có thể theo dõi sự thay đổi của dòng quang điện như thế nào. Biểu đồ phụ thuộc này được gọi là đặc tính tế bào quang, được hiển thị trong Hình. 2.

Cơm. 2. Đặc điểm của tế bào quang điện

Hãy thảo luận về quá trình của đường cong kết quả. Trước hết, chúng ta lưu ý rằng các electron bay ra khỏi catốt với tốc độ khác nhau và theo các hướng khác nhau; tốc độ cực đại mà các quang điện tử có được trong các điều kiện thí nghiệm được ký hiệu là.

Nếu hiệu điện thế âm và có độ lớn thì không có dòng quang điện. Điều này dễ hiểu: điện trường tác dụng lên các êlectron từ catốt và anôt bị hãm (trên catốt là "cộng", trên anô là "trừ") và có giá trị lớn đến mức các êlectron không thể chạm tới. cực dương. Nguồn cung cấp động năng ban đầu là không đủ - các electron mất tốc độ khi tiến đến cực dương và quay trở lại cực âm. Động năng cực đại của các êlectron tỏa ra nhỏ hơn môđun của công trường khi êlectron chuyển từ catôt sang anôt là:

Ở đây kg là khối lượng electron, C là điện tích của nó.

Chúng tôi sẽ dần dần tăng điện áp, tức là di chuyển từ trái sang phải dọc theo một trục có giá trị âm xa.

Lúc đầu vẫn chưa có dòng điện nhưng chuyển động quay của các êlectron càng ngày càng gần anôt. Cuối cùng, khi đạt đến điện áp, được gọi là giữ điện áp, các êlectron quay ngược trở lại tại thời điểm chúng đến cực dương (nói cách khác, các êlectron đến cực dương với tốc độ bằng không). Chúng ta có:

(1)

Vì vậy, giá trị của điện áp trễ cho phép bạn xác định động năng lớn nhất của quang điện tử.

Khi điện áp trễ vượt quá một chút, một dòng quang yếu sẽ xuất hiện. Nó được hình thành bởi các điện tử bay ra với động năng cực đại gần như chính xác dọc theo trục của bóng đèn (tức là gần như vuông góc với cực âm): bây giờ năng lượng này đủ để các điện tử bay tới cực dương với tốc độ khác 0 và đóng mạch. Các electron còn lại, có tốc độ thấp hơn hoặc bay ra khỏi anot, không rơi vào anot.

Khi điện áp tăng, dòng quang tăng. Cực dương đạt số lượng lớn các êlectron phát ra từ catốt theo góc tăng dần so với trục của bóng đèn. Lưu ý rằng dòng quang hiện ở điện áp bằng không!

Khi điện áp đi vào vùng có giá trị dương, dòng quang tiếp tục tăng. Điều này có thể hiểu được: điện trường bây giờ làm tăng tốc các electron, vì vậy ngày càng nhiều electron trong số chúng có cơ hội đi đến cực dương. Tuy nhiên, không phải tất cả các quang điện tử đều đến được cực dương. Ví dụ, một êlectron bay ra với tốc độ cực đại vuông góc với trục của bóng đèn (tức là dọc theo cực âm), mặc dù nó sẽ quay quanh trường trong Đúng hướng, nhưng không đủ mạnh để đánh vào cực dương.

Cuối cùng, ở các giá trị điện áp dương đủ lớn, dòng điện đạt đến giá trị giới hạn của nó, được gọi là Dòng điện bão hòa, và sau đó ngừng tăng.

Tại sao? Thực tế là điện áp tăng tốc các điện tử trở nên cao đến mức cực dương bắt tất cả các điện tử văng ra khỏi cực âm nói chung - theo bất kỳ hướng nào và ở bất kỳ tốc độ nào mà chúng bắt đầu chuyển động. Do đó, dòng quang đơn giản là không có cơ hội tăng thêm nữa - có thể nói, nguồn tài nguyên đã cạn kiệt.

Các định luật về hiệu ứng quang điện

Giá trị dòng điện bão hòa thực chất là số electron bật ra khỏi catốt trong một giây. Chúng ta sẽ thay đổi cường độ ánh sáng mà không cần chạm vào tần số. Kinh nghiệm cho thấy dòng điện bão hòa thay đổi tỷ lệ với cường độ ánh sáng.

Định luật đầu tiên về hiệu ứng quang điện. Số êlectron bật ra khỏi catốt trong một giây tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ tới catốt (ở tần số không đổi).

Không có gì bất ngờ trong điều này: bức xạ mang càng nhiều năng lượng thì kết quả quan sát được càng hữu hình. Các câu đố vẫn tiếp tục.

Cụ thể, chúng ta sẽ nghiên cứu sự phụ thuộc của động năng cực đại của quang điện tử vào tần số và cường độ của ánh sáng tới. Không khó để làm điều này: xét cho cùng, theo công thức (1), việc tìm ra động năng cực đại của các electron bị đẩy ra thực sự giảm đi để đo hiệu điện thế hãm.

Đầu tiên, chúng ta thay đổi tần số bức xạ ở một cường độ cố định. Nó chỉ ra một đồ thị như vậy (Hình 3):

Cơm. 3. Sự phụ thuộc của năng lượng quang điện tử vào tần số ánh sáng

Như bạn có thể thấy, có một tần số nhất định được gọi là hiệu ứng ảnh viền đỏ, tách biệt hai khu vực khác nhau về cơ bản của biểu đồ. Nếu thì không có hiệu ứng quang điện.

Nếu class = "tex" alt = "(! LANG: \ nu> \ nu_0"> !}, khi đó động năng cực đại của quang điện tử tăng tuyến tính với tần số.

Bây giờ, ngược lại, chúng tôi cố định tần số và thay đổi cường độ ánh sáng. Nếu đồng thời, thì hiệu ứng quang điện không xảy ra, dù cường độ nào! Không ít hơn sự thật đáng kinh ngạc cũng được tìm thấy tại class = "tex" alt = "(! LANG: \ nu> \ nu_0"> !}: động năng cực đại của các quang điện tử không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng.

Tất cả những dữ kiện này được phản ánh trong định luật thứ hai và thứ ba của hiệu ứng quang điện.

Định luật thứ hai về hiệu ứng quang điện. Động năng cực đại của quang điện tử tăng tuyến tính với tần số ánh sáng và không phụ thuộc vào cường độ của nó.

Định luật thứ ba về hiệu ứng quang điện. Đối với mỗi chất đều có viền đỏ của hiệu ứng quang điện - là ánh sáng có tần số thấp nhất mà tại đó còn có hiệu ứng quang điện. Khi hiệu ứng quang điện ta không quan sát được ở cường độ ánh sáng nào.

Khó khăn trong cách giải thích cổ điển về hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện có thể được giải thích như thế nào về mặt điện động lực học cổ điển và các khái niệm sóng của ánh sáng?

Người ta biết rằng để kéo một êlectron ra khỏi một chất thì cần phải truyền cho nó một năng lượng gọi là chức năng làm việcđiện tử. Trong trường hợp electron tự do trong kim loại, đây là công vượt qua trường của các ion dương của mạng tinh thể, nó giữ electron ở ranh giới kim loại. Trong trường hợp electron trong nguyên tử, công là công được thực hiện để phá vỡ liên kết giữa electron và hạt nhân.

trong biến điện trường sóng ánh sáng thì êlectron bắt đầu dao động.

Và nếu năng lượng dao động vượt quá cơ năng làm việc thì êlectron sẽ bị xé ra khỏi chất.

Tuy nhiên, trong khuôn khổ của những ý tưởng đó, không thể hiểu được định luật thứ hai và thứ ba của hiệu ứng quang điện.. Thật vậy, tại sao động năng của êlectron phóng ra lại không phụ thuộc vào cường độ bức xạ? Suy cho cùng, cường độ càng lớn thì cường độ điện trường trong sóng điện từ càng lớn, lực tác dụng lên êlectron càng lớn thì năng lượng dao động của nó càng lớn và động năng của êlectron bay ra càng lớn. của cực âm. Nó có logic không? Một cách hợp lý. Nhưng thực nghiệm cho thấy khác.

Tiếp theo, viền đỏ của hiệu ứng quang điện đến từ đâu? Điều gì là sai với tần số thấp? Có vẻ như khi cường độ ánh sáng tăng lên, thì lực tác dụng lên các electron cũng vậy; do đó, ngay cả ở tần số ánh sáng thấp, electron sớm muộn sẽ bị kéo ra khỏi chất - khi cường độ đạt đủ có tầm quan trọng rất lớn. Tuy nhiên, đường viền màu đỏ đưa ra một lệnh cấm nghiêm ngặt đối với sự phát xạ của các điện tử tại tần số thấp bức xạ sự cố.

Ngoài ra, nó không rõ ràng quán tính hiệu ứng quang điện. Cụ thể, khi catốt được chiếu sáng bằng bức xạ có cường độ yếu tùy ý (có tần số trên giới hạn đỏ) thì hiệu ứng quang điện bắt đầu ngay lập tức- tại thời điểm bật đèn. Trong khi đó, có vẻ như các electron cần một thời gian để “nới lỏng” các liên kết giữ chúng trong chất, và thời gian “tích tụ” này càng lâu thì ánh sáng tới càng yếu. Sự tương tự là thế này: bạn đẩy xích đu càng yếu, thì chúng sẽ mất nhiều thời gian để lắc đến một biên độ nhất định.

Nó có vẻ hợp lý một lần nữa, nhưng kinh nghiệm là tiêu chí duy nhất của sự thật trong vật lý! - mâu thuẫn với những lập luận này.

Sớm bước sang thế kỷ XIX và thế kỷ XX trong vật lý, một bế tắc đã nảy sinh: điện động lực học, dự đoán sự tồn tại của sóng điện từ và hoạt động hoàn hảo trong dải sóng vô tuyến, đã từ chối giải thích hiện tượng hiệu ứng quang điện.

Albert Einstein đã tìm ra con đường thoát khỏi sự bế tắc này vào năm 1905. Ông đã tìm ra một phương trình đơn giản mô tả hiệu ứng quang điện. Cả ba định luật về hiệu ứng quang điện đều là hệ quả của phương trình Einstein.

Công lao chính của Einstein là từ bỏ những nỗ lực giải thích hiệu ứng quang điện theo quan điểm của điện động lực học cổ điển. Einstein đã dựa trên giả thuyết lượng tử táo bạo của Max Planck 5 năm trước đó.

Giả thuyết lượng tử của Planck

Điện động lực học cổ điển không chỉ hoạt động trong lĩnh vực hiệu ứng quang điện. Nó cũng đã thất bại nghiêm trọng khi nó được sử dụng để mô tả bức xạ của một cơ thể bị nung nóng (cái gọi là bức xạ nhiệt).

Bản chất của vấn đề là một mô hình điện động lực học đơn giản và tự nhiên của bức xạ nhiệt đã dẫn đến một kết luận vô nghĩa: bất kỳ vật thể bị đốt nóng nào, liên tục tỏa ra, đều phải mất dần năng lượng và nguội dần về độ không tuyệt đối. Như chúng ta đã biết, không có gì như thế này được quan sát thấy.

Trong quá trình giải quyết vấn đề này, Max Planck đã bày tỏ giả thuyết nổi tiếng của mình.

Giả thuyết lượng tử. Năng lượng điện từ không được phát ra và hấp thụ liên tục mà ở những phần riêng biệt không thể phân chia - lượng tử. Năng lượng lượng tử tỷ lệ với tần số bức xạ:

(2)

Quan hệ (2) được gọi là Công thức Planck, và hệ số tương xứng - Hằng số của Planck.

Việc chấp nhận giả thuyết này cho phép Planck xây dựng một lý thuyết về bức xạ nhiệt hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm. Với phổ bức xạ nhiệt được biết từ kinh nghiệm, Planck đã tính toán giá trị của hằng số của mình:

J s (3)

Sự thành công của giả thuyết Planck cho rằng các định luật vật lý cổ điển không áp dụng cho các hạt nhỏ như nguyên tử hoặc electron, cũng như cho các hiện tượng tương tác giữa ánh sáng và vật chất. Ý tưởng này đã được xác nhận bởi hiện tượng hiệu ứng quang điện.

Phương trình của Einstein về hiệu ứng quang điện

Giả thuyết của Planck nói về sự rời rạc sự bức xạ và tiếp quản sóng điện từ, tức là bản chất không liên tục của sự tương tác giữa ánh sáng với vật chất. Đồng thời, Planck tin rằng Lây lanánh sáng là một quá trình liên tục xảy ra hoàn toàn tuân theo các định luật điện động lực học cổ điển.

Einstein thậm chí còn đi xa hơn: ông ấy gợi ý rằng Về nguyên tắc, ánh sáng có cấu trúc không liên tục: không chỉ phát xạ và hấp thụ, mà cả sự truyền ánh sáng cũng xảy ra theo các phần riêng biệt - lượng tử có năng lượng.

Planck chỉ coi giả thuyết của mình là một thủ thuật toán học và không dám bác bỏ điện động lực học trong mối quan hệ với mô hình thu nhỏ. Lượng tử trở thành hiện thực vật lý nhờ Einstein.

Quanta bức xạ điện từ(cụ thể là lượng tử ánh sáng) sau này được gọi là photon. Do đó, ánh sáng bao gồm các hạt đặc biệt - các photon chuyển động trong chân không với tốc độ.

Mỗi phôtôn của ánh sáng đơn sắc có tần số đều mang năng lượng.

Các photon có thể trao đổi năng lượng và động lượng với các hạt vật chất (động lượng của photon sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo); trong trường hợp này chúng ta đang nói về va chạm photon và các hạt. Đặc biệt có sự va chạm của phôtôn với êlectron của kim loại làm catốt.

Sự hấp thụ ánh sáng là sự hấp thụ của các photon, nghĩa là không co giãn va chạm của photon với các hạt (nguyên tử, electron). Bị hấp thụ khi va chạm với một electron, photon truyền năng lượng của mình cho nó. Kết quả là, electron nhận động năng ngay lập tức chứ không phải dần dần, và đây chính xác là điều giải thích quán tính của hiệu ứng quang điện.

Phương trình của Einstein về hiệu ứng quang điện không gì khác hơn là định luật bảo toàn năng lượng. Năng lượng của photon là gì? trong va chạm không đàn hồi của nó với một êlectron? Nó được sử dụng để thực hiện công việc tách một điện tử ra khỏi một chất và tạo ra động năng cho điện tử:

(4)

Thuật ngữ này hóa ra là tối đađộng năng của các quang điện tử. Tại sao tối đa? Câu hỏi này cần phải làm rõ một chút.

Các electron trong kim loại có thể tự do hoặc liên kết. Các electron tự do "đi" khắp kim loại, các electron liên kết "ngồi" bên trong nguyên tử của chúng. Ngoài ra, một electron có thể nằm ở cả gần bề mặt của kim loại và ở độ sâu của nó.

Rõ ràng rằng động năng cực đại của một quang điện tử sẽ nhận được khi phôtôn va vào một êlectron tự do ở lớp bề mặt của kim loại - khi đó chỉ cần công năng là đủ để làm bật êlectron.

Trong tất cả các trường hợp khác, năng lượng bổ sung sẽ phải được sử dụng - để xé một điện tử liên kết khỏi nguyên tử hoặc "kéo" một điện tử sâu lên bề mặt.

Này chi phí phụ trội sẽ dẫn đến hiện tượng động năng của êlectron phát ra sẽ nhỏ hơn.

Đáng chú ý ở tính đơn giản và rõ ràng về mặt vật lý, phương trình (4) chứa toàn bộ lý thuyết về hiệu ứng quang điện. Hãy xem các định luật của hiệu ứng quang điện được giải thích như thế nào trong phương trình Einstein.

1. Số êlectron phóng ra tỉ lệ thuận với số phôtôn bị hấp thụ. Khi cường độ ánh sáng tăng, số photon tới catốt trong một giây tăng lên.

Do đó, số lượng các photon bị hấp thụ và theo đó, số lượng các điện tử bị bật ra trong một giây tăng tỷ lệ thuận với nhau.

2. Chúng ta biểu diễn từ công thức (4) động năng:

Thật vậy, động năng của các êlectron bị đẩy ra tăng tuyến tính theo tần số và không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng.

Sự phụ thuộc của động năng vào tần số có dạng phương trình của một đường thẳng đi qua điểm. Điều này giải thích đầy đủ quá trình của đồ thị trong Hình. 3.

3. Để xảy ra hiệu ứng quang điện thì năng lượng phôtôn ít nhất phải đủ để thực hiện cơ năng:. Tần số thấp nhất, được xác định bởi đẳng thức

chỉ sẽ là đường viền màu đỏ của hiệu ứng quang điện. Như chúng ta có thể thấy, ranh giới đỏ của hiệu ứng quang điện chỉ được xác định bởi chức năng làm việc, tức là chỉ phụ thuộc vào vật liệu của bề mặt catốt được chiếu xạ.

Nếu, thì sẽ không có hiệu ứng quang điện - bất kể có bao nhiêu photon mỗi giây rơi vào catốt. Do đó, cường độ ánh sáng không đóng một vai trò nào; vấn đề chính là liệu một photon có đủ năng lượng để đánh bật một electron hay không.

Phương trình Einstein (4) cho phép thực nghiệm tìm hằng số Planck. Để làm được điều này, trước tiên cần xác định tần số bức xạ và chức năng làm việc của vật liệu làm catốt, cũng như đo động năng của các quang điện tử.

Trong quá trình thí nghiệm như vậy, một giá trị đã thu được hoàn toàn trùng khớp với (3). Sự trùng hợp như vậy về kết quả của hai thí nghiệm độc lập - dựa trên quang phổ của bức xạ nhiệt và phương trình của Einstein về hiệu ứng quang điện - có nghĩa là các "luật chơi" hoàn toàn mới đã được phát hiện, theo đó sự tương tác của ánh sáng và vật chất xảy ra. Trong lĩnh vực này, vật lý cổ điển, được đại diện bởi cơ học Newton và điện động lực học Maxwell, nhường chỗ cho vật lý lượng tử- lý thuyết về mô hình thu nhỏ, việc xây dựng nó vẫn tiếp tục cho đến ngày nay.

Các định luật về hiệu ứng quang điện ngoài

Cùng với bức xạ nhiệt, một hiện tượng không phù hợp với khuôn khổ của vật lý cổ điển, là hiệu ứng quang điện.

Hiệu ứng quang điện ngoài là hiện tượng phát ra êlectron của một chất khi bị bức xạ sóng điện từ.

Hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi Hertz vào năm 1887. Ông nhận thấy rằng tia lửa giữa các quả cầu kẽm được tạo điều kiện nếu khoảng cách giữa các tia lửa được chiếu bằng ánh sáng. Thực nghiệm, định luật về hiệu ứng quang điện ngoài được Stoletov nghiên cứu vào năm 1888. Sơ đồ nghiên cứu hiệu ứng quang điện được trình bày trong Hình 1.

Hình 1.

Cực âm và cực dương nằm trong ống chân không, vì sự nhiễm bẩn không đáng kể trên bề mặt kim loại ảnh hưởng đến sự phát xạ của êlectron. Cực âm được chiếu sáng bằng ánh sáng đơn sắc qua cửa sổ thạch anh (thạch anh, ngược lại với kính thông thường truyền ánh sáng tử ngoại). Hiệu điện thế giữa anốt và catốt được điều chỉnh bằng chiết áp và đo bằng vôn kế. Hai những cục pin có thể tự nạp lại và, được kết nối với nhau, cho phép sử dụng một chiết áp để thay đổi giá trị và dấu hiệu của điện áp. Cường độ của dòng quang được đo bằng điện kế.

Trong hình 2. biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng quang vào hiệu điện thế, tương ứng với các độ chiếu sáng khác nhau của catốt và (). Tần số của ánh sáng là như nhau trong cả hai trường hợp.

điện tích và khối lượng của electron ở đâu và như thế nào.

Khi điện áp tăng, dòng quang tăng, vì tất cả hơn quang điện tử đến cực dương. Gia trị lơn nhât dòng quang được gọi là dòng quang bão hòa. Nó tương ứng với các giá trị hiệu điện thế mà tại đó tất cả các êlectron phóng ra từ catốt đến được anôt:, trong đó số quang điện tử phát ra từ catốt trong 1 giây.

Stoletov đã thiết lập một cách thực nghiệm các định luật sau về hiệu ứng quang điện:

Khó khăn nghiêm trọng nảy sinh trong việc giải thích luật thứ hai và thứ ba. Theo thuyết điện từ, lực kéo các electron tự do ra khỏi kim loại phải là kết quả của việc chúng "rung chuyển" trong điện trường của sóng. Khi đó người ta không hiểu tại sao tốc độ cực đại của các electron phát ra lại phụ thuộc vào tần số ánh sáng chứ không phụ thuộc vào biên độ dao động của vectơ cường độ điện trường và cường độ của sóng liên kết với nó. Những khó khăn trong việc giải thích các định luật thứ hai và thứ ba của hiệu ứng quang điện đã làm dấy lên nghi ngờ về khả năng ứng dụng phổ quát của lý thuyết sóng ánh sáng.

Phương trình của Einstein về hiệu ứng quang điện

Năm 1905, Einstein giải thích các định luật của hiệu ứng quang điện bằng lý thuyết lượng tử do ông đề xuất. Ánh sáng có tần số không chỉ được phát ra, như Planck giả định, mà còn được vật chất hấp thụ theo một số phần nhất định (lượng tử). Ánh sáng là một dòng lượng tử ánh sáng rời rạc (photon) chuyển động với tốc độ ánh sáng. Lượng tử năng lượng là. Mỗi lượng tử chỉ bị hấp thụ bởi một điện tử. Vì vậy, số êlectron phóng ra phải tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng (1 định luật về hiệu ứng quang điện).

Năng lượng của phôtôn tới được chi cho công của êlectron thoát ra khỏi kim loại và truyền động năng cho quang điện tử phát ra:

(2)

Phương trình (2) được gọi là phương trình Einstein về hiệu ứng quang điện ngoài. Phương trình của Einstein có thể giải thích định luật thứ hai và thứ ba của hiệu ứng quang điện. Phương trình (2) ngụ ý trực tiếp rằng động năng cực đại tăng khi tần số của ánh sáng tới tăng lên. Khi tần số giảm dần thì động năng giảm dần và đến một tần số nào đó thì nó bằng không và hiệu ứng quang điện dừng (). Từ đây

số photon bị hấp thụ ở đâu.

Trong trường hợp này, đường viền màu đỏ của hiệu ứng quang điện dịch chuyển về phía tần số thấp hơn:

. (5)

Ngoài hiệu ứng quang điện ngoài, người ta còn biết đến hiệu ứng quang điện trong. Khi các chất bán dẫn rắn và lỏng và chất điện môi bị chiếu xạ, các điện tử chuyển từ trạng thái liên kết sang trạng thái tự do, nhưng không bay ra ngoài. Sự có mặt của các electron tự do dẫn đến sự xuất hiện của hiện tượng quang dẫn. Quang dẫn là sự tăng độ dẫn điện của một chất khi tiếp xúc với ánh sáng.

Photon và các đặc tính của nó

Các hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ, phân cực chỉ có thể giải thích bằng tính chất sóng của ánh sáng. Tuy nhiên, hiệu ứng quang điện và bức xạ nhiệt chỉ là hiệu ứng phân tử (giả sử ánh sáng là một dòng photon). Sóng và mô tả lượng tử tính chất của ánh sáng bổ sung cho nhau. Ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt. Các phương trình cơ bản thiết lập mối quan hệ giữa các tính chất của sóng và hạt như sau:

(7)

Và - các đại lượng đặc trưng cho hạt, và - sóng.

Hãy tìm khối lượng của một photon từ quan hệ (6) :.

Một photon là một hạt luôn chuyển động với tốc độ ánh sáng và có khối lượng nghỉ bằng không. Động lượng của một phôtôn là:.

Hiệu ứng Compton

Các đặc tính của tiểu thể hoàn chỉnh nhất được thể hiện trong hiệu ứng Compton. Năm 1923, nhà vật lý người Mỹ Compton đã nghiên cứu sự tán xạ của tia X bởi parafin, nguyên tử của chúng là ánh sáng.

Theo quan điểm sóng, tia X bị tán xạ là do dao động cưỡng bức của các êlectron của chất đó nên tần số của ánh sáng tán xạ phải trùng với tần số của ánh sáng tới. Tuy nhiên, một bước sóng lớn đã được tìm thấy trong ánh sáng tán xạ. không phụ thuộc vào bước sóng của tia X tán xạ và vào vật liệu của chất tán xạ mà phụ thuộc vào hướng tán xạ. Gọi là góc giữa hướng của chùm sáng sơ cấp và hướng của ánh sáng tán xạ, khi đó , ở đâu (m).

Định luật này đúng đối với các nguyên tử nhẹ (,,) có các điện tử liên kết yếu với hạt nhân. Quá trình tán xạ có thể được giải thích bằng sự va chạm đàn hồi của các photon với các electron. Dưới tác dụng của tia X, các electron dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử. Do đó, người ta có thể coi là hiện tượng tán xạ bởi các êlectron tự do. Một photon có động lượng va chạm với một electron ở trạng thái nghỉ và cung cấp cho nó một phần năng lượng, trong khi nó thu được động lượng (Hình 3).

Hình 3.

Sử dụng các định luật bảo toàn năng lượng và động lượng cho một va chạm đàn hồi tuyệt đối, chúng ta thu được biểu thức: , trùng khớp với thử nghiệm, trong khi , chứng minh lý thuyết ánh sáng.

Sự phát quang, sự phát quang và các quy luật chính của nó

Hiện tượng phát quang là một bức xạ không cân bằng, ở nhiệt độ xác định quá bức xạ nhiệt. Sự phát quang xảy ra dưới tác động của các tác động bên ngoài, không phải do cơ thể nóng lên. Đây là một ánh sáng lạnh. Tùy theo phương pháp kích thích mà có: quang phát quang (dưới tác dụng của ánh sáng), hóa phát quang (dưới tác dụng của phản ứng hoá học), cực âm (dưới tác dụng của êlectron nhanh) và điện phát quang (dưới tác dụng của điện trường).

Sự phát quang dừng lại ngay lập tức (c) sau khi các tác động bên ngoài biến mất được gọi là huỳnh quang. Nếu sự phát quang biến mất trong vòng s sau khi kết thúc tiếp xúc, thì nó được gọi là sự phát quang.

Các chất phát quang được gọi là phốt pho. Chúng bao gồm các hợp chất của uranium, đất hiếm, cũng như các hệ thống liên hợp trong đó các liên kết xen kẽ, hợp chất thơm: fluorescein, benzen, naphtalen, anthracen.

Sự phát quang tuân theo định luật Stokes: tần số của ánh sáng kích thích lớn hơn tần số phát ra , đâu là phần năng lượng bị hấp thụ sẽ biến thành nhiệt.

Đặc điểm chính của sự phát quang là năng suất lượng tử bằng tỷ số giữa số photon bị hấp thụ và số lượng tử phát ra. Có những chất mà hiệu suất lượng tử gần bằng 1 (ví dụ, fluorescein). Anthracene có hiệu suất lượng tử là 0,27.

Hiện tượng phát quang đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Ví dụ, phân tích phát quang là một phương pháp để xác định thành phần của một chất bằng sự phát sáng đặc trưng của nó. Phương pháp này rất nhạy (gần đúng), cho phép phát hiện một lượng tạp chất không đáng kể và được sử dụng cho các nghiên cứu chính xác nhất trong lĩnh vực hóa học, sinh học, y học và công nghiệp thực phẩm.

Tính năng phát hiện lỗ hổng bằng huỳnh quang giúp bạn có thể phát hiện ra các vết nứt tốt nhất trên bề mặt của các bộ phận máy (bề mặt cần kiểm tra được bao phủ bằng dung dịch phát quang, dung dịch này vẫn còn trong các vết nứt sau khi loại bỏ).

Phốt pho được sử dụng trong đèn huỳnh quang, là môi trường hoạt động của máy phát lượng tử quang học, được sử dụng trong bộ chuyển đổi quang điện tử. Được sử dụng để sản xuất con trỏ dạ quang của các thiết bị khác nhau.

Nguyên tắc vật lý thiết bị nhìn ban đêm

Cơ sở của thiết bị là một bộ chuyển đổi quang điện tử (IOC), chuyển đổi hình ảnh của một vật thể không nhìn thấy bằng mắt trong tia IR thành hình ảnh nhìn thấy được (Hình 4).

Hình 4.

1 - photocathode, 2 - thấu kính điện tử, 3 - màn hình phát quang,

Bức xạ hồng ngoại từ vật thể gây ra phát xạ quang điện tử từ bề mặt của photocathode và lượng phát xạ từ các phần khác nhau của vật thể sau thay đổi tùy theo sự phân bố độ sáng của hình ảnh chiếu lên nó. Các quang điện tử được gia tốc bởi điện trường trong khu vực giữa photocathode và màn hình, được thấu kính điện tử hội tụ và bắn phá màn hình, gây ra sự phát quang của nó. Cường độ phát sáng của các điểm riêng lẻ trên màn hình phụ thuộc vào mật độ của thông lượng quang điện tử, do đó trên màn hình xuất hiện hình ảnh có thể nhìn thấy của vật thể.

Đang tải...
Đứng đầu