ФОТОЭФФЕКТ


История фотоэффекта

Наиболее драматическим прогнозом теории электромагнетизма Максвелла, опубликованной в 1865 году, было существование электромагнитных волн, движущихся со скоростью света, и вывод, что свет сам по себе является именно такой волной. Это провоцирует экспериментаторов создавать и регистрировать электромагнитные излучения с помощью некоторых форм электрооборудования. Первая успешная попытка была проведена Генрихом Герцем в 1886 году. Он использовал высоковольтные индукционной катушки для того, чтобы вызвать искровой разряд между двумя частями из латуни. "Представьте себе цилиндрический корпус из латуни, 3 см в диаметре и 26 см в длину, имеющий посредине зазор для образования искры, полюса которого по обе стороны образуют сферы радиусом 2 см". Идея заключалась в том, что когда искра образует проводящий путь между двумя проводниками из латуни, величина заряда будет быстро колебаться, испуская электромагнитное излучение с длиной волны, аналогичной размерам самих проводников.
Чтобы доказать, что там действительно имело место излучение, его нужно было обнаружить. Герц использовал кусок медной проволоки толщиной 1 мм, изогнутой в круг диаметром 7,5 см, на одном конце которой был латунный шарик, а другой конец провода был закреплен в точке вблизи шарика. Он добавил винтовой механизм для того, чтобы точку можно было перемещать в непосредственную близость от шарика контролируемым образом. Этот "приемник" был спроектирован так, что ток, колеблющийся в проводе, будет иметь физический период близкий к периоду "передатчика", описанного выше. О наличии колеблющегося заряда в приемнике будет сигнализировать искра через промежуток между точкой и шариком (как правило, этот промежуток был сотые доли миллиметра).
Эксперимент был очень успешным – Герц был в состоянии обнаружить излучение до пятидесяти метров, а в серии гениальных экспериментов установлено, что излучение отражается и преломляется, как ожидалось, и что оно было поляризовано. Главная проблема – ограничивающим фактором в обнаружении – была возможность видеть крошечные искры в приемнике. В попытке улучшить видимость искры, он наткнулся на что-то очень загадочное. "Я случайно заключил искру приемника в темный корпус таким образом, чтобы её легче наблюдать, и при этом я заметил, что максимальная длина искры стала ощутимо меньше, чем это было раньше. Снимая по очереди различные части корпуса, было видно, что единственная часть его, которая оказывает этот вредный эффект, это та, которая экранирует искру приемника от искры передатчика. С перегородкой между приемником и передатчиком был зарегистрирован этот эффект не только тогда, когда она была в непосредственной близости от приемника, но и когда она была на больших расстояниях от приемника между передатчиком и приемником. Явление настолько замечательное, что призывает к более тщательному исследованию".
Затем Герц приступил к более близкому изучению. Он обнаружил, что малая искра приемника была более энергичной, когда она была подвержена ультрафиолетовому свету передатчика. Потребовалось много времени, чтобы понять это, – он сначала проверял на какое-то электромагнитное воздействие, но нашел лист стекла, эффективно экранирующий искры. Затем он нашел кусок кварца, не экранирующего искру, после чего он использовал кварцевую призму, чтобы разбить свет от большой искры на компоненты, и обнаружил, что длина волны, которая делала маленькую искру более мощной, была за пределами видимого света в ультрафиолетовом диапазоне.
В 1887 году Герц решил, что нужны месяцы исследований: «... я ограничусь в настоящее время от опубликования полученных результатов, не пытаясь придумать какую-либо теорию, в которой будет описано наблюдаемое явление".

Простой подход Холлвокса
В следующем 1888 году, другой немецкий физик Wilhelm Hallwachs, в Дрездене писал:
"В последней публикации Герц описал исследования по зависимости максимальной длины искры от излучения, полученных ею от другой индуктированной искры. Он доказал, что наблюдаемое явление является действием ультрафиолетового света. Но влияние другого света на характер явления невозможно было получить из-за сложных условий исследования, в котором это явление наблюдалось. Я пытался получить связанное явление, которое будет происходить в более простых условиях, для того, чтобы объяснить явление проще. Успех был получен при исследовании действия электрического света на электрически заряженные тела".
Затем он описывает свой очень простой эксперимент: чистые круглые пластины цинка были установлены на изолирующей подставке и прикреплены проводом к золотой пластине электроскопа, который затем был заряжен отрицательно. Электроскоп терял заряд очень медленно. Однако, если цинковую пластинку подвергать облучению ультрафиолетовым светом от дуговой лампы, или от горения магния, заряд теряется довольно легко. Если пластины были заряжены положительно, не было быстрой утечки заряда.

На самом деле ситуация оставалась неясной до 1899 года, когда Томсон установил, что ультрафиолетовый свет вызывает электроны для излучения, подобные частицы были найдены в катодных лучах. Его метод заключался в том, чтобы вложить металлическую поверхность, которая будет подвергаться воздействию излучения, в вакуумную трубку, другими словами, чтобы сделать его катодом в электронно-лучевой трубке. Особенность в том, что электроны должны были быть изгнаны из катода под действием излучения, а не сильного электрического поля, используемого ранее.
В это время это была правдоподобная картина того, что происходит на самом деле. Атомы в катоде содержали электроны, которые были возбуждены и приведены в колебание переменным электрическим полем падающего излучения. В конце концов, некоторые из них были бы возбуждены свободное состояние, и были бы вынесены из катода. Стоит также учесть, как количество и скорость испускаемых электронов будет меняться в зависимости от интенсивности и цвета падающего излучения. Увеличение интенсивности излучения будет возбуждать электроны сильнее, так что можно было бы ожидать, что больше электронов вырвутся из металла, и их скорость будет выше, в среднем. Увеличение частоты излучения будет возбуждать электроны быстрее, что может вызвать более быстрое испускание электронов. Для очень тусклого света потребуется некоторое время работы для достижения достаточной амплитуды вибрации, чтобы электроны смогли вырваться с поверхности.

В 1902 г. Ленард изучал, как энергия испускаемых фотоэлектронов изменяется с интенсивностью света. Он использовал свет угольного электрода, и мог увеличить интенсивность в тысячу раз. Выбитые электроны достигли другой металлической пластины, коллектора, которая была подключена проводником к катоду с чувствительным амперметром для измерения тока, создаваемого освещением. Для измерения энергии выбрасываемых электронов, Ленард заряжал пластины коллектора отрицательно для отражения электронов, движущихся к нему. Таким образом, только электроны, выбитые с достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть потенциальный барьер, будут способствовать появлению тока. Ленард обнаружил, что существуют четко определенное минимальное напряжение, останавливающее какой-либо электрон, мы будем называть его VSTOP. К его удивлению, он обнаружил, что VSTOP вообще не зависит от интенсивности света! С удвоением света удвоилось число электронов, испускаемых из поверхности, но это не повлияло на энергию испускаемых электронов. Более мощное переменное поле выбрасывает больше электронов, но максимальная индивидуальная энергия испущенных электронов была такой же, как и в более слабом поле.
Но Ленард сделал что-то еще. С помощью своей очень мощной дуговой лампы, имеющей достаточную интенсивность, чтобы разделить цвета и проверить фотоэффект с помощью света разных цветов. Он обнаружил, что максимальная энергия выбитых электронов зависит от цвета – более короткая длина волны, более высокочастотный свет, вызванный электронами, для выбивания которых необходимо больше энергии. Это был, однако, довольно качественный вывод – измерения энергии были не особо воспроизводимы, потому что они чрезвычайно чувствительны к состоянию поверхности, в частности, его состояние частичного окисления. В лучшем из вакуумов, имевшихся в то время, значительное окисление свежей поверхности проходило в несколько десятков минут.

В 1905 году Эйнштейн дал очень простую интерпретацию результатов Ленарда. Он просто предположил, что входящее излучение должно рассматриваться как кванты частоты hf, с частотой f. В фотоэмиссии один такой квант поглощается одним электроном. Если электрон находится на некотором расстоянии от поверхности катода, то для его испускания с поверхности необходимо приложить энергию. Всегда будут некоторые электростатические потери, так как электрон покидает поверхность, обычно это называется работой выхода, W. Самыми энергичными испускаемыми электронами будут те, которые находятся очень близко к поверхности, и они покинут катод с кинетической энергией

E = hf - W.

Таким образом, теория Эйнштейна дает вполне определенные количественные предсказания: если частота падающего света изменяется, и VSTOP является функцией частоты, наклон линий должен быть h/e.
Ясно также, что существует минимальная частота света для данного металла, при которой, энергия кванта равна работе выхода. Свет с частотой ниже критической, независимо от того, насколько он интенсивен, не вызовет фотоэмиссии.
Если мы принимаем теорию Эйнштейна, то это совершенно другой способ измерения постоянной Планка. Американский физик-экспериментатор Роберт Милликен, который не принимал теорию Эйнштейна, которую он видел, как нападение на волновую теорию света, работал в течение десяти лет, до 1916 года, над фотоэффектом. Он даже разработал методы выскабливание чистой металлической поверхности внутри вакуумной трубки. Несмотря на все свои усилия, он обнаружил неутешительные результаты: он подтвердил теорию Эйнштейна, измерив постоянную Планка с точностью до 0,5% по этому методу. Утешило его то, что он действительно получил Нобелевскую премию за эту серию экспериментов.

Комментариев нет:

Отправить комментарий

каталог сайтів Украина онлайн