В XX веке физика, а вместе с ней и все понимание об окружающей среде, претерпели значительные и глубокие изменения. К концу XIX века система физической науки, в основе которой лежала электродинамика Максвелла – Герца и механика Ньютона, казалась полностью завершенной. В первые годы XX века лорд Кельвин, один из крупнейших физиков, в лекциях, прочитанных в Балтиморском университете, увидел, что на чистом небосклоне физики все же можно заметить два небольших облачка.
За основу исследования был взят отрицательный результат опыта Майкельсона. При этом его проведение планировалось с целью решения всех противоречий в проблеме захватывающего эфира. В начале XX в. были найдены две, не связанные между собой, группы явлений. Их невозможно было использовать в классической теории электромагнитного поля, учитывая их воздействия на атом. Первая группа явлений связана с установлением на опыте двойной природы дуализма света, вторая – с невозможностью объяснить классическими представлениями устойчивое существование атома и спектральные закономерности. С этих несущественных проблем и выросла квантовая механика. Она показала, что классическая физика совсем не обязательно должна применяться для всех явлений.
Статья: Квантовая теория внешнего фотоэффекта
Гипотеза М. Планка
Гипотеза Планка о том, что световой поток излучается и поглощается рядом порций — квантами, была подтверждена и получила дальнейшее развитие при исследовании других явлений.
Гипотеза М. Планка позволила впервые ввести физическую константу $h$ — элементарный квант действия.
Квантовое явление не может быть определено в традиционной физике. В 20-ых годах бывшего столетия было выявлено, что электроны приобретают волновые свойства, проявляя дифракции при прохождении через кристалл. Позже стало ясно, что явление дифракции свойственно как электронам, так и всем микрочастицам. Общее движение микрочастиц оказалось подобным движению волн, нежели движение материальной точки по намеченной траектории.
Явление дифракции несовместимо с представлением о движении частиц по траекториям. При изучении свойств микрочастиц ученым удалось найти неопровержимые факты, свидетельствующие про волново-корпускулярные свойства микрочастиц. Опытным путем было показано, что классическая физика рассматривала объекты исследований как общие электромагнитные волны, они обладают корпускулярными свойствами. В другом варианте для объектов, которые владели всеми неопровержимыми признаками частиц, оказались первостепенными превосходящие волновые свойства.
Теория фотоэффекта
Фотоэффект – это явление «выбивания» светом электронов из металлов.
С целью высвобождения электронов из металла нужно передать ему энергию, которая превышает работу выхода.
Рисунок 1. Теория фотоэффекта. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Фотоэффект – это квантовое явление, его исследование сыграло главную роль в экспериментальном обосновании подтверждения квантовой теории.
Возможность фотоэффекта для молекулы, конденсированной среды или атома обусловлена связью электрона с окружающими. Данная связь характеризуется в общем атоме энергией ионизации. Стоит выделить, что закон сохранения энергии при фотоэффекте в данном случае выражается соотношением Альберта Эйнштейна.
Теория Альберт Эйнштейна
Теоретическое объяснение данному процессу дал Альберт Эйнштейн, за что он получил Нобелевскую премию.
Альберт Эйнштейн применял гипотезу Макса Планка о том, что свет излучается квантами или порциями с энергией, которая пропорциональна частоте.
Выдвинув теорию, что свет поглощается подобными же порциями, Альберт смог объяснить зависимость скорости всех выбитых электронов от общей длины волны облучения.
Работа А. Эйнштейна имела огромное значение для процесса развития идей квантовой оптики и квантовой механики в частности.
Фотоэлектрический эффект и его законы
Законы фотоэффекта:
- Число фотоэлектронов прямо пропорционально общей интенсивности света.
- Наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов при этом не зависит от интенсивности света. Стоит выделить, что кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна общей частоте света.
- Для вещества существуют пороговые значения длины и частоты волны света. Они соответствуют грани нахождения фотоэффекта. Свет с большей длиной и меньшей частотой волны фотоэффекта не вызывает.
Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется вырывание электронов из вещества под воздействием света.
Это явление было обнаружено Г. Герцем в 1887 году. Фотоэффект как самостоятельное физическое явление подробно изучал в 1888–1890 годах А.Г. Столетов.
Плоский конденсатор, где одна пластина была медная сетка С, а вторая - цинковая пластина П, была включена через гальванометр сквозь аккумуляторную батарею. При процессе освещения отрицательно заряженной пластины в кругу возникал электрический ток, он называется фототоком. На основе своих опытов Столетов сделал такие выводы:
- наибольшее воздействие проявляют ультрафиолетовые лучи;
- сила фототока возрастает пропорционально освещенности пластины;
- под действием световой волны металл теряет все отрицательно заряженные частицы.
Экспериментальные исследования фотоэффекта в металлах показали, что подобное явление зависит от химической природы металла, а также от состояния его поверхности. Очень малые загрязнения металлической поверхности в значительной степени влияют на эмиссию всех электронов под общим действием света.
На опытах были установлены следующие правила:
- Число фотоэлектронов $n$, которые вырываются из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности светового потока (фототок насыщения равен энергетической освещенности $E$-катода).
- Общая начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и при этом не зависит от интенсивности.
- Для любого вещества есть красная граница фотоэффекта или минимальная частота $ν_0$ света, где возможен фотоэффект. Величина $ν_0$ зависит от природы вещества, а также состояния его поверхности.
