Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
ык т) Hgv тп) ЫК Т) ъцх2, Т„) ¦
Для косинусного излучателя
^xl, T) г;(х„ тп)
гЛКТ) г;(Х2,т„)-
522
ГЛ. V.6. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ОПТИКИ
Обычно Xj = 655 нм (красный свет) и X2 = 470 нм (зеленый свет). Цветовая температура серого тела (V.5.1.50) совпадает с его истинной температурой и может быть найдена из закона смещения Вина (V.5.2.20).
Глава V.6
ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ оптики
§ V.6.I. Внешний фотоэффект
1°. Квантовой оптикой называется раздел оптики, занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света. К таким явлениям относятся: тепловое излучение (V.5.1.1°), фотоэлектрический эффект, эффект Комптона (V.6.3.10), фотохимические процессы и др.
Фотоэффект в газах состоит в ионизации атомов и молекул газа под действием света и обычно называется фотоионизацией.
В конденсированных телах (твердых и жидких) различают внешний и внутренний фотоэффекты.
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.
Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света. Он проявляется в изменении концентрации носителей тока в среде (111.7.1.4°) и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта. Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием света. Вентильным фотоэффектом (фотоэффектом в запирающем слое) называется возникновение под действием света ЭДС (фото-ЭДС) в системе, состоящей из контактирующих полупроводника и металла или двух разнородных полупроводников (например, в р—л-пе-реходе (VII.2.11.7°)).
§ V.6.I. ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ
523
2°. На рис. V.6.1 показана схема установки для изучения внешнего фотоэффекта в металлах. Свет падает через окно D на поверхность катода К, находящегося внутри эвакуированной трубки и называемого фотокатодом. Характер зависимости фототока I в трубке от разности потенциалов U анода А и катода К при постоянной энергетической освещенности E3 катода (V.5.4.20) монохроматическим светом изображен на рис. V.6.2.
Существование фототока при отрицательных значениях U от 0 до -CZ0 свидетельствует о том, что фотоэлектроны выходят из катода, имея некоторую начальную скорость и соответственно кинетическую энергию. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов vMaKC связана с задерживающим напряжением (задерживающим потенциалом) Uq соотношением
где е vim — абсолютная величина заряда и масса электрона.
Фототок увеличивается с ростом U лишь до определенного предельного значения /н, называемого фототоком насыщения. При фототоке насыщения все электроны, вылетающие из катода под влиянием света, достигают анода. Если псек — число фотоэлектронов, покидающих катод за 1 с, то
2
и
Рис. V.6.1
Рис. V.6.2
524
ГЛ. V.6. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ОПТИКИ
3°. Законы внешнего фотоэффекта.
1. Закон Столетова', при неизменном спектральном составе света, падающего на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (V.5.4.20):
Iн ~ E3 и лсек ~ E3.
2. Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого фотокатода существует красная граница внешнего фотоэффекта, т. е. минимальная частота света V0, при которой еще возможен внешний фотоэффект; частота V0 зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности.
Второй и третий законы внешнего фотоэффекта не удается истолковать на основе классической электромагнитной теории света. Согласно этой теории, вырывание электронов проводимости из металла является результатом их «раскачивания» в электромагнитном поле световой волны, которое должно усиливаться при увеличении интенсивности света и пропорциональной ей энергетической освещенности фотокатода.
4°. Лишь квантовая теория света позволила успешно объяснить законы внешнего фотоэффекта. Развивая идеи Планка о квантовании энергии атомов-осцилляторов (V.5.3.20), Эйнштейн высказал гипотезу о том, что свет не только излучается, но также распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде отдельных дискретных квантов электромагнитного излучения — фотонов. Все фотоны монохроматического света частоты V имеют одинаковую энергию Wi = hv, где h — постоянная Планка, и движутся в пространстве со скоростью с света в вакууме. В случае поглощения света веществом каждый поглощенный фотон передает всю свою энергию частице вещества. Например, при внешнем фотоэффекте электрон проводимости металла, поглощая фотон, получает его энергию hv. Для выхода из металла электрон должен совершить работу выхода А (VII.2.11.1°). Поэтому уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, выражающее закон сохранения энергии при фотоэффекте, имеет вид
