Теория:
1. Фотоны
Фотон — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в том числе света).
Энергия фотона прямо пропорциональна частоте излучения (формула Планка):
\(E = h\nu\),
где \(h\) — постоянная Планка, \(6{,}63 \cdot 10^{-34}\) Дж·с;
\(\nu\) — частота электромагнитной волны, Гц.
\(\nu\) — частота электромагнитной волны, Гц.
Волновое число или длина волны: \(\nu = \frac{c}{\lambda}\), поэтому \(E = h\frac{c}{\lambda}\).
Импульс фотона связан с его энергией:
\(p = \frac{E}{c} = \frac{h\nu}{c} = \frac{h}{\lambda}\),
где \(c\) — скорость света в вакууме, \(3\cdot10^8\) м/с;
\(\lambda\) — длина волны, м.
\(\lambda\) — длина волны, м.
2. Фотоэффект
Фотоэффект — явление вырывания электронов из вещества под действием света (или любого электромагнитного излучения).
Внешний фотоэффект наблюдается у твёрдых тел (металлов) и полупроводников.
Рис. \(1\). Явление фотоэффекта
Опыты А. Г. Столетова (\(1888\)–\(1890\) гг.) установили основные закономерности фотоэффекта. Схема установки: вакуумный баллон с двумя электродами (катод и анод), на катод направляют свет. Возникающий фототок измеряется гальванометром.
Законы фотоэффекта (для металлов):
- Первый закон: количество электронов, вырываемых с поверхности металла за 1 секунду (сила фототока насыщения), прямо пропорционально интенсивности падающего света.
- Второй закон: максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
- Третий закон: для каждого вещества существует минимальная частота \(\nu_{\text{min}}\) (максимальная длина волны \(\lambda_{\text{max}}\)), при которой фотоэффект ещё возможен. При \(\nu < \nu_{\text{min}}\) фотоэффект не происходит, даже если интенсивность велика.
3. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
В \(1905\) году А. Эйнштейн объяснил фотоэффект на основе квантовой теории. Энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из металла и сообщение ему кинетической энергии:
\(h\nu = A_{\text{вых}} + \frac{mv^2}{2}\),
где \(A_{\text{вых}}\) — работа выхода электрона из металла, Дж (или эВ);
\(m\) — масса электрона, \(9{,}1\cdot10^{-31}\) кг;
\(v\) — скорость фотоэлектрона, м/с.
\(m\) — масса электрона, \(9{,}1\cdot10^{-31}\) кг;
\(v\) — скорость фотоэлектрона, м/с.
Красная граница фотоэффекта — минимальная частота (максимальная длина волны), при которой фотоэффект ещё начинается.
При \(\nu = \nu_{\text{кр}}\) кинетическая энергия электронов равна нулю:
\(h\nu_{\text{кр}} = A_{\text{вых}}\),
\(\nu_{\text{кр}} = \frac{A_{\text{вых}}}{h}\),
\(\lambda_{\text{кр}} = \frac{c}{\nu_{\text{кр}}} = \frac{hc}{A_{\text{вых}}}\).
\(\nu_{\text{кр}} = \frac{A_{\text{вых}}}{h}\),
\(\lambda_{\text{кр}} = \frac{c}{\nu_{\text{кр}}} = \frac{hc}{A_{\text{вых}}}\).
4. Давление света
Давление света — давление, которое оказывает электромагнитное излучение на поверхность тела.
Объясняется передачей импульса фотонов при поглощении или отражении.
Формула для давления света при нормальном падении:
\(P = \frac{I}{c}(1 + \rho)\),
где \(I\) — интенсивность света (энергия, падающая на единицу площади за секунду), Вт/м²;
\(c\) — скорость света, м/с;
\(\rho\) — коэффициент отражения поверхности (\(0\) для абсолютно чёрного тела, \(1\) для зеркальной поверхности).
\(c\) — скорость света, м/с;
\(\rho\) — коэффициент отражения поверхности (\(0\) для абсолютно чёрного тела, \(1\) для зеркальной поверхности).
Опыты П. Н. Лебедева (\(1899\) г.) впервые измерили давление света на твёрдые тела и газы, подтвердив предсказания Максвелла и Эйнштейна.
5. Химическое действие света
Химическое действие света — способность света вызывать химические реакции (фотохимические реакции).
Пример:
Почернение фотоплёнки (разложение бромида серебра), фотосинтез в растениях.
Основной закон фотохимии (закон Эйнштейна–Штарка): каждая поглощённая молекулой света частица (фотон) способна вызвать превращение только одной молекулы.
6. Технические устройства и практическое применение
 | Фотоэлемент — прибор, преобразующий энергию света в электрическую. По принципу действия бывают: с внешним фотоэффектом (вакуумные и газонаполненные) и с внутренним (полупроводниковые) |
 | Фотодатчик — устройство, реагирующее на изменение светового потока. Используется в системах автоматики, освещения, охранных сигнализациях |
 | Солнечная батарея — набор полупроводниковых фотоэлементов (обычно на основе кремния), преобразующих солнечное излучение непосредственно в электрический ток (фотовольтаический эффект) |
 | Светодиод — полупроводниковый прибор, излучающий свет при пропускании электрического тока в прямом направлении. Работа основана на рекомбинации электронов и дырок с испусканием фотонов. Применяется в индикации, освещении, оптической связи |