Волновые свойства света: интерференция, дифракция, поляризация. Корпускулярные свойства света: фотоэффект

  При помощи линзы L изображение щели получается на экране MN в виде короткого белого прямоугольника S`. Поместив на пути призму P, ребро которой параллельно щели, обнаружим, что изображение щели сместится и превратится в окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Это радужное изображение Ньютон назвал спектром. Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения S`. Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой. Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране MN , на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка. Описанные опыты показывают, что для узкого цветного пучка, выделенного из спектра, показатель преломления имеет вполне определенное значение, тогда как преломление белого света можно только приблизительно охарактеризовать одним каким то значением этого показателя. Сопоставляя подобные наблюдения, Ньютон сделал вывод, что существуют простые цвета, не разлагающиеся при прохождении через призму, и сложные, представляющие совокупность простых, имеющих разные показатели преломления. В частности, солнечный свет есть такая совокупность цветов, которая при помощи призмы разлагается, давая спектральное изображение щели.

  Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:

  1) Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия).

  2) Белый цвет есть совокупность простых цветов.

  Мы знаем в  настоящее время, что разным цветам соответствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать следующим образом: Показатель преломления вещества зависит от длины световой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны. 
 

  Открытие фотоэффекта

  Гипотеза Планка о квантах послужила основой для объяснения явления фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887г. немецким физиком Генрихом Герцем.

  Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света могут освобождаться  отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы - электроны.

  Фотоэффекты бывают нескольких видов: внешний и внутренний фотоэффект, вентильный фотоэффект и ряд других эффектов.

  Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

  Внутренним фотоэффектом называют появление свободных электронов и дырок в полупроводнике в результате разрыва связей между атомами за счет энергии света, падающего на полупроводник.

  Вентильным фотоэффектом называют возникновение под действием света электродвижущей силы в системе, содержащей контакт двух различных полупроводников или полупроводника и металла. 

  Законы фотоэффекта

  Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839 - 1896) в 1888 - 1889гг. Используя вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами (рис.2), он исследовал зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами и условий освещения электрода.

  В вакуумном баллоне находятся два металлических электрода А и К, к которым прикладывают напряжение. Полярность электродов и приложенное к ним напряжение можно изменять с помощью потенциометра R с отводом от средней точки. Когда ползунок потенциометра находится слева от средней точки, на электрод  А подают минус, а на электрод К - плюс. Напряжение, приложенное между электродами, измеряют вольтметром V. Электрод К через окно, закрытое кварцевым стеклом, облучают светом. Под его воздействием из этого электрода вырывают электроны (называемые фотоэлектронами), которые летят к электроду А и образуют фототок, регистрируемый миллиамперметром mA.

  

  На описанной установке, используя электроды, изготовленные из разных металлов, для каждого освещаемого

   вещества можно получить вольтамперные характеристики внешнего фотоэффекта(т.е. зависимости силы фототока I от напряжения U между электродами) при различных значениях потока энергии падающего света.

  Две такие характеристики представлены на рисунке. Экспериментально установлены следующие закономерности и законы внешнего фотоэффекта.

    При отсутствии напряжения между электродами фототок отличен от нуля. Это значит, что фотоэлектроны обладают при вылете кинетической энергией. По мере увеличения U фототок I постепенно возрастает, т.к. всё большее число фотоэлектронов достигает анода. При достижении между электродами некоторого ускоряющего напряжения Uн все электроны, выбиваемые из катода, достигают анода и сила фототока перестаёт зависеть от напряжения. Такой фототок, сила которого с увеличением напряжения не возрастает, называют фототоком насыщения. Если число фотоэлектронов, вылетающих из освещаемого металла в единицу времени, равно nе, то сила фототока насыщения

  I_н=Dq/Dt=Ne/Dt=n_e

Поэтому, измерив силу тока насыщения, можно определить число фотоэлектронов, вылетающих за одну секунду.

  Сила фототока насыщения прямо пропорциональна потоку энергии света, падающего на металл (первый закон фотоэффекта):

  Iн=gФ

  Здесь g - коэффициент пропорциональности, называемый фоточувствительностью вещества. Следовательно, число электронов, вырываемых за одну секунду из вещества, прямо пропорционально потоку энергии света, падающего на это вещество.

  За счет начальной кинетической энергии электроны могут совершать работу против сил задерживающего электрического поля. Поэтому фототок существует и в области отрицательных напряжений от 0 до U3 (электрод А соединен с «минусом» источника тока). Начиная с некоторого задерживающего напряжения U3, фототок прекращается. При этом работа задерживающего электрического поля Аэ=еU3 равна максимальной начальной кинетической энергии фотоэлектронов Wк.м.=mvм2/2:

  Аэ=Wк.м.; еU3=mvм2/2

  отсюда

  Vм= 2еU3/m

  Таким образом, измерив задерживающее напряжение U3, можно определить максимальную начальную кинетическую энергию и максимальную начальную скорость фотоэлектронов.

  Значение задерживающего напряжения, а следовательно максимальная кинетическая энергия и максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты (второй закон фотоэффекта).

  Для каждого вещества существует определенное значение частоты vк  (и , следовательно, длины волны lк), такое, что при частотах v падающего света меньших vк (т.е. длинах волн света, больших lк),фотоэффект не наблюдается (третий закон фотоэффекта ). Частоту vк ( и длину волны lк)называют красной границей фотоэффекта. Например, при облучении цинковой пластинки видимым светом даже очень большой интенсивности  фотоэффекта не происходит, тогда как при её облучении ультрафиолетовым светом даже очень малой интенсивности фотоэффект наблюдается.

  8. С начала облучения металла светом до начала вылета фотоэлектронов проходит время t<10-9 с. Следовательно, фотоэффект безынерционен. Если частота падающего света v>vк, то вылет фотоэлектронов происходит практически мгновенно. Если же v<vк, то как бы долго не освещали металл, фотоэффект не наблюдается.

  Объяснение законов фотоэффекта на основе квантовых представлений о свете. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

  Для объяснения закономерностей фотоэффекта А. Эйнштейн использовал квантовые представления о свете, введенные Планком для описания теплового излучения тел.

  Эйнштейн, анализируя флуктуации энергии излучения абсолютно чёрного тела пришёл, к выводу о том, что излучение ведёт себя так, как если бы оно состояло из N=W/(hv) независимых квантов энергии величиной hv каждый. По Эйнштейну, при распространении света, вышедшего из какой - либо точки, энергия распределяется не непрерывно во всё более возрастающем пространстве. Энергия состоит из конечного числа локализованных в пространстве квантов энергии. Эти кванты движутся, не делясь на части; они могут поглощаться и испускаться только как целое.

  Таким образом, Эйнштейн пришёл к выводу, что свет не только излучается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде квантов. Порции светового излучения - кванты света - обладающие корпускулярными свойствами, т.е. свойствами частиц, являющимися носителями свойств электромагнитного поля. Эти частицы получили название фотонов.

  С точки зрения квантовых представлений о  свете энергия монохроматического излучения, падающего на металл состоит из фотонов с энергией

  Wф=hv

  и равна

  Wсв=NWф=Nhv

  а поток энергии света равен

  Ф=Wсв/t=Nhv/t=nфhv 

  где N - число фотонов, падающих на металл за время t; nф - число фотонов, падающих на металл за единицу времени.

  Взаимодействие излучения с веществом состоит из огромного числа элементарных актов, в каждом из которых один электрон целиком поглощает энергию одного фотона. Если энергия фотонов больше работы выхода или ей равна, то электроны вылетают из металла. При этом часть энергии поглощённого фотона тратится на выполнение работы выхода Ав, а остальная часть составляет кинетическую энергию фотоэлектрона. Поэтому

  Wф=Ав+Wк;hv=Ав+mv2/2.

  Это выражение называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Из него видно, что кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего света (второй закон фотоэффекта).

  Если энергия квантов меньше работы выхода , то при любой интенсивности света электроны не вылетают. Этим объясняется существование красной границы фотоэффекта (третий закон фотоэффекта).

  Покажем теперь, как объясняется первый закон фотоэффекта на основе квантовых представлений  о свете.

  Число высвобождаемых вследствие фотоэффекта электронов nе должно быть пропорционально числу падающих на поверхность квантов света nф;

  nе~nф ; nе=knф,

  где k - коэффициент, показывающий, какая часть падающих фотонов выбивает электроны из металла. (Заметим, что лишь малая часть квантов передаёт свою энергию фотоэлектронам. Энергия остальных квантов затрачивается на нагревание вещества, поглощающего свет). Число фотонов nф определяет поток энергии падающего света.

  Таким образом, квантовая теория света полностью объясняет все закономерности внешнего фотоэффекта. Тем самым неоспоримо экспериментально подтверждается то, что свет помимо волновых свойств обладает корпускулярными свойствами. 

  Корпускулярно-волновая природа света

  Явления интерференции, дифракции, поляризации света от обычных источников света неопровержимо свидетельствует о волновых свойствах света. Однако и в этих явлениях при соответствующих условиях свет проявляет корпускулярные свойства. В свою очередь закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта и других неоспоримо свидетельствуют, что свет ведет себя не как непрерывная, протяженная волна, а как поток «сгустков» (порций, квантов) энергии, т.е. как поток частиц - фотонов. Но при этих явлениях свет имеет и волновые свойства, они для этих явлений просто не существенны.