Квантовая физика — один из основных разделов теоретической физики, который объясняет, что такое микрочастицы и по каким законам они движутся. В данной статье мы расскажем о квантовой теории, о гипотезе Макса Планка и о фотоэффекте. Фотоэффект тесно связан с квантовой гипотезой и является ее ярким подтверждением. Мы будем рассматривать явление фотоэффекта с точки зрения квантовой теории, расскажем о вкладе А. Эйнштейна, а также о том, почему границу фотоэффекта называют красной.
Ключевые слова: квантовая физика, гипотеза Планка, электроны, фотоэффект, фотоэлектроны.
Квантовая физика — один из разделов теоретической физики, изучающий квантово-механические и квантово-полевые системы, а также законы их движения [3]. В квантовой физике изучаются микрочастицы. Все непрерывные вещества на каком-то уровне, например, на уровне атомов и молекул, становятся дискретными, или квантовыми, то есть «раскладываются» на микрочастицы и подчиняются законам квантовой физики.
Первоначально считалось, что квантовость присуща только веществам, но Макс Планк указал на то, что этим свойством обладает также и энергия. Ученый предположил, что энергия света является квантовой. Он предложил гипотезу: «энергия колеблющихся молекул и атомов принимает не любые, а только некоторые определенные значения. Значит, при излучении энергия излучающих молекул и атомов изменяется скачками. Соответственно, свет излучается не непрерывно, а некоторыми порциями, которые Планк назвал квантами» (рис. 1) [1].
Рис. 1. Кванты света
Благодаря гипотезе Планка был открыт и объяснен фотоэффект. Под фотоэффектом понимается способность электрона испускать вещества под действием света или же под действием какого-то электромагнитного излучения. Энергия кванта передается одному электрону как на рисунке 2.
Рис. 2. Энергия передается от кванта к электрону
При помощи энергии электрон выделяется из вещества, остальная же энергия используется для того, чтобы разогнать электрон и становится его кинетической энергией. Планк отметил, что сила разгона электронов равна частоте света, из чего следует, то «энергия одного кванта излучения пропорциональна частоте излучения» [1].
Соответственно:
E = hv
E — это энергия кванта излучения, которая измеряется в джоулях, v — является частотой излучения и измеряется в герцах. Также в формуле присутствует величина h, которая представляет собой коэффициент пропорциональности, равный
Какова же связь между квантовой гипотезой и фотоэффектом?
Дело в том, что явление фотоэффекта является одним из лучших подтверждений квантовой гипотезы. На примере этого явления можно разобрать работу квантовой модели.
Изучения фотоэффекта позволяет ответить на следующие вопросы:
1) Как волна может отделить электроны от различных веществ?
2) Почему для того, чтобы отделить электрон, нужно воздействовать на него с определенной частотой?
3) Каким образом излучение может распределяться по электронам, сообщая каждому из них разное количество энергии?
Построим квантовую модель. Один квант энергии света может отделить от какого-то вещества только один фотоэлектрон. Тогда лишняя энергия станет кинетической энергией электрона после того, как он выйдет из металла. Если же энергии недостаточно, то квант остается в веществе (рис. 3 и рис. 4).
Рис. 3. Фотон отделяет фотоэлектрон
Рис. 4. Электрон остается в веществе
Таким образом, фотоэффектом называется отделение электронов из веществ под действием энергии света.
Теория фотоэффекта была разработана Альбертом Эйнштейном, который объяснил его как раз на основе квантовой физики. Находясь внутри какого-то вещества и получив энергию от поглощения фотона, электрон пытается покинуть кристаллическую решетку, то есть вылететь за пределы твердого тела. Часть энергии электрон расходует на выход из вещества, а часть — становится его кинетической энергией, о чем мы уже писали выше. Формулу кинетической энергии, ее остатка, представляют в следующем виде:
где hv — это энергия фотона, которая расходуется на совершение работы выхода (
Альберт Эйнштейн получил в 1921 году Нобелевскую премию в том числе и за исследование фотоэффекта [3].
Существует внешний фотоэффект и внутренний. Внешний фотоэффект, или фотоэлектронная эмиссия — это вылет электронов с поверхности какого-то вещества. Вылетающие электроны в таком случае называются фотоэлектронами. Если же вылета электронов не происходит, то такой фотоэффект называется внутренним.
Также необходимо сказать и о том, что для достижения фотоэффекта необходимо, чтобы частота света
Говоря о фотоэффекте, стоит также отметить и такое понятие как «красная граница фотоэффекта», которая представляет собой «предельную частоту и соответствующую ей длину волны
Почему же это именно красная граница? Давайте попробуем разобраться, в чем дело [2].
Попробуем взять в качестве примера свет с частотой, которой достаточно для совершения фотоэффекта. Нам нужно уменьшать эту частоту, пока она не дойдет до предела, смещая ее влево по оси, пока эффект не прекратится.
Если то же самое мы будем делать в видимом спектре, то заметим, что граница видимости этого смещения будет соответствовать красному цвету (рис. 5).
Рис. 5. Красная граница фотоэффекта
Таким образом, мы можем сделать вывод, что квантовая гипотеза и теория фотоэффекта — достаточно сложные явления, которые требуют глубокого изучения. Они являются важной частью теоретической физики.
Литература:
- Лазарев М. И., Кожешкурт В. А. Квантовая гипотеза Планка // [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/kvantovaja-fizika/kvantovaya-gipoteza-planka (дата обращения: 02.10.2021)
- Лазарев М. И., Кожешкурт В. А. Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта // [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/kvantovaja-fizika/formula-eynshteyna-dlya-fotoeffekta-primenenie-fotoeffekta (дата обращения: 05.10.2021)
- Российская электронная школа. Фотоэффект // [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://resh.edu.ru/subject/lesson/4917/conspect/197789/ (дата обращения: 10.10.2021)
