Question

Как связано явление фотоэффекта с квантовой теорией?

Answer 1

Ответ:

Объяснение: 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.

Answer 2

Фотоэффект – это явление, при котором фотоны (кванты света) поглощаются веществом, вызывая выход электронов из поверхности материала. Это явление оказалось одним из ключевых экспериментальных доказательств квантовой природы света и материи.

Связь между фотоэффектом и квантовой теорией проявляется через следующие аспекты:

1. Корпускулярно-волновой дуализм: Когда свет взаимодействует с веществом, он проявляет свои свойства как частицы (фотоны) и как волны. Это явление подтвердило идею о том, что электроны в материале также обладают волновыми свойствами.

2. Квантование энергии: Фотоны света не передают энергию непрерывно, а только порциями, называемыми квантами. Это означает, что энергия, необходимая для выхода электрона из материала, также квантуется. Если энергия одного фотона превышает определенную границу (работу выхода), то электрон выйдет из материала.

3. Зависимость от интенсивности: При фиксированной частоте света (цвете), количество вылетающих электронов зависит от интенсивности света. Однако энергия каждого фотона остается неизменной. Это можно объяснить, предполагая, что большее количество фотонов (более интенсивный свет) просто увеличивает вероятность того, что хотя бы один из них передаст достаточно энергии для выхода электрона.

4. Зависимость от частоты: Фотоэффект также зависит от частоты света (цвета). Если частота фотона ниже определенного порога, даже при высокой интенсивности света фотоэффект не проявится. Это можно объяснить тем, что энергия фотона недостаточна для преодоления работы выхода у электрона.

Все эти аспекты фотоэффекта показывают, что энергия света и взаимодействие с веществом квантуется, что соответствует основным принципам квантовой механики. Это стало одним из ключевых экспериментальных доказательств существования квантовых явлений и сильно повлияло на развитие квантовой теории.