Кванты света называются фотонами.

Поэтому с квантовой точки зрения свет представляет собой поток фотонов.

Уравнение Эйнштейна объясняет все закономерности внешнего фотоэффекта. Оно представляет собой по сути дела закон сохранения энергии. Каждый фотон взаимодействует с одним электроном и передает ему энергиюhv. Эта энергия затрачивается на то, чтобы совершить работу выхода электрона из металла - A и сообщить ему кинетическую энергию. Причем, если электрон вырывается с поверхности металла, а не из глубины, то кинетическая энергия электрона будет максимальной.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта имеет вид

Покажем, как из уравнения Эйнштейна (5.2) можно объяснить законы фотоэффекта.

1. Из формулы (5.2) легко можно найти красную границу фотоэффекта. Если кинетическая энергия равна нулю, т. е. если , то . Тогда красная граница фотоэффекта равна:

Если частота падающего света больше или равна красной границе , то фотоэффект наблюдается, иначе - нет. Работа выхода зависит от химической природы вещества. Ее можно найти в справочнике. Значение работы выхода обычно указывают в электронвольтах . Из формулы (3.21) следует, что

Длину волны λ тоже называют красной границей фотоэффекта.

2. Из уравнения (5.2) можно выразить максимальную кинетическую энергию вылетевших электронов

Из формулы (5.4) следует, что максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов линейно зависит от частоты падающего света. Экспериментальное значение можно найти, зная задерживающую разность потенциалов (рис. 5.2):

,

где e - заряд электрона, U_з - задерживающая разность потенциалов.

3. Третий закон фотоэффекта - закон Столетова - можно объяснить так: изменение светового потока Ф пропорционально изменению числа фотонов n_ф, падающих на единицу поверхности металла в единицу времени.

При этом изменяется число электронов, взаимодействующих с фотонами n_ф, а значит изменяется фототок. Фототок насыщения соответствует такому состоянию, когда все вылетевшие из катода электроны попадут на анод. Следовательно, можно написать цепочку пропорциональностей

.

Если перейти от пропорциональности к равенству, получим формулу для записи закона Столетова

Таким образом, в явлении фотоэффекта проявляется квантовая природа света.

Фотоны и их свойства

Согласно современным представлениям, свет представляет собой сложное явление, сочетающее в себе свойства электромагнитной волны и потока частиц - фотонов. Такое двойственное сочетание свойств называется корпускулярно-волновым дуализмом.

Фотоном называется элементарная частица - квант электромагнитного поля. Отличие фотона от других элементарных частиц состоит в том, что фотон всегда движется со скоростью . Масса фотона равна нулю: m = 0.

Энергия фотона вычисляется по формуле (5.1)

или

,

где λ - длина волны света.

Импульс фотона равен

Таким образом, формулы (5.1) и (5.6) отражают корпускулярно-волновой дуализм фотонов. Подобно частице (корпускуле), фотон обладает энергией и импульсом, которые выражены через волновые характеристики: частоту и длину волны.

Дальнейшее развитие квантовые представления получили при объяснении закономерностей в спектре атома водорода.