Взаимодействие света с веществом. Дисперсия света Различия в дифракционном и призматическом спектрах

5. Квантовые свойства излучения

5.1 Фотоэлектрический эффект

Многочисленные оптические явления, рассмотренные ранее, непротиворечиво объясняли исходя из представлений в волновой природе света.

Однако, в конце XIX – начале XX в. были открыты и изучены такие явления, как фотоэффект, рентгеновское излучение, эффект Комптона, излучение атомов и молекул, тепловое излучение и др., объяснения которых с волновой точки зрения оказались невозможными. Объяснения новых экспериментальных фактов было получено на основе корпускулярных представлений о природе света.
Квантовая оптика – раздел оптики, занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света.
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) называют 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, называют фототоком.
Внутренним фотоэффектом называют 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 и приводит к возникновению фотопроводимости вентильного фотоэффекта.
Фотопроводимостью называют увеличение электрической проводимости вещества под действием света.
Вентильным фотоэффектом (фотоэффектом в запирающем слое) называют возникновение под действием света ЭДС (фото – ЭДС) в системе, состоящей из контактирующих полупроводника и металла или 2-х разнородных полупроводников (например, в p-n – переходе).

5.2 Внешний фотоэффект

Фотоэффект был обнаружен Г. Герцом в 1887 г. при наблюдении усиления процесса разряда при облучении искрового промежутка УФ-излучения.

Первые исследования фотоэффекта выполнены русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым (1888-1896).
Рассмотрим схему установки для изучения внешнего фотоэффекта в металлах.

Свет падает через окно на поверхность фотокатода, находящегося внутри эвакуированной трубки.

На рисунке представлен характер зависимости фототока  в трубке от разности потенциалов U анода и катода при постоянной энергетической освещенности Eэ катода монохроматическим светом:

Существование фототока при отрицательных значениях U от 0 до –U0 свидетельствует о том, что фотоэлектроны выходят из K, имея некоторую начальную скорость и, соответственно, кинетическую энергию.
Максимальная начальная скорость фотоэлектронов  связана с задерживающим напряжением U0:

 ,

Где e и m – абсолютная величина заряда и масса электрона.

Фототок увеличивается с ростом U лишь до определенного предельного значения  , называемого фототоком насыщения.
При  все электроны, вылетающие из K под влиянием света, достигают A.
Если nсек – число фотоэлектронов, покидающих K за 1с, то  .