Фотоефект

Поглъщането на светлината от веществата често е съпроводено от електрични явления, наречени фотоелектричен ефект или фотоефект.

Различаваме четири основни вида фотоефекти:

1). Външен фотоефект, при който поглъщането на светлина с достатъчно къса дължина на вълната (особено на ултравиолетови лъчи) води до излитане на електрони (наричани фотоелектрони) извън пределите на облъчваното вещество (например, метал). Очевидно съществува някаква енергия на свързване на електроните в твърдите тела, или с други думи за да отделим електроните от твърдото тяло, ние трябва да им придадем енергия. Ако не беше така, електроните биха излитали дори при прилагането на твърде слаби електрични полета. Електроните не напускат твърдите тела спонтанно в големи количества; за да могат да се откъснат трябва да им се придаде достатъчно енергия. При фотоелектричния ефект добавъчният източник на енергия е светлината.

Ако, например, осветим с ултравиолетови лъчи отрицателно заредена цинкова пластинка, съединена с електроскоп, листата на електроскопа бързо падат. Следователно, цинковата пластинка загубва отрицателния си заряд под действието на светлината. Ако заредим пластинката с положителен заряд и я осветим отново, листата на електроскопа не падат. Следователно, загубата на заряд не можем да обясним с йонизация на въздуха. Опитът, проведен с много чувствителен електроскоп показва, че при осветяване на незаредена цинкова пластинка, последната се зарежда положително (губи отрицателен заряд).

Изследването на външния фотоефект показва, че:

Външният фотоефект е практически безинерционен. Интервалът от време между началото на облъчването и началото на излъчването на електрони не превишава 10 ⁹ s. Измерванията показват, че за всеки метал съществува гранична честота (или дължина) на вълната на падащата светлина, при която и при по-малки от която честоти (или при по-големи дължини) светлината, независимо от интензитета си, не предизвиква фотоефект. Тази честота (дължина на вълната) се нарича червена граница на фотоефекта. Максималната кинетична енергия на фотоелектроните нараства линейно с честотата на падащата светлина и не зависи от нейния интензитет. Излъчените електрони са случайно разпределени във времето и средният им брой е пропорционален на интензитета на светлината, дори и при най-ниски интензитети. Тези свойства на фотоефекта не могат да бъдат обяснени въз основа на класическата вълнова теория на светлината.

Според класическата теория фотоефектът трябва да зависи от интензитета на светлината. Колкото по-голям е интензитетът, толкова по-голяма кинетична енергия би трябвало да имат избитите електрони, тъй като ще получат енергия в излишък над тази, която им е необходима за да напуснат метала. Енергията, получавана от електрона трябва да зависи от амплитудата на вълната и от времето на въздействие, т.е. би трябвало при всяка дължина на вълната да може да се наблюдава фотоефект, т.е. не би трябвало да се наблюдава червена граница на фотоефекта. Не би трябвало, също така, фотоефектът да е безинерционен. Би трябвало да е необходимо известно време за натрупване на необходимата енергия от електрона за да напусне метала. Опитът показва, обаче, че дори при ниска стойност на интензитета на светлината електронната емисия настъпва веднага, щом падне светлината върху метала.

През 1905 г. Айнщайн, опирайки се на хипотезата на Планк за квантите, предлага ново обяснение на фотоефекта, наречено квантова теория на фотоефекта. Той предполага, че светлина с честота не само се излъчва, но също така се разпространява и поглъща като отделни импулси на електромагнитната вълна наречени фотони, всеки от които има енергия, равна на h, където h е константата на Планк. От тази гледна точка енергията на всеки фотон се определя от честотата на вълната. При падане на снопа фотони върху повърхността на метала, фотонът се удря в електрон и му отдава цялата си енергия h, при