Внешний фотоэффект

В недалеком прошлом русский физик Столетов Александр Григорьевич столкнулся с загадочным явлением — внешним фотоэффектом. Проводя многократные эксперименты, он установил, что металлическая пластинка, а точнее ее поверхность испускает электроны под действием электромагнитного ультрафиолетового излучения или излучения какого-либо другого диапазона. Объяснить этого Александр Григорьевич не смог, но все же, эта работа принесла ему мировую известность.

Эксперимент был проведен в 1888 г. Затем фундаментальные исследования были сделаны многими учеными, такими как Планк, Эйнштейн и др.

Схема эксперимента была такова: электрометр, с присоединенной к нему цинковой пластинкой, заряженной положительно, при освещении пластины, например электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро.

Объяснить это можно единственным образом. Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При положительном заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не изменяется. Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни было интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого можно заключить, что именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себе не сложный факт нельзя объяснить на основе классической электромагнитной теории света. Согласно этой теории вырывание электронов является результатом «раскачивание» их в электромагнитном поле световой волны, которое должно усиливаться при увеличении интенсивности света и пропорциональной ей энергетической освещенности фотокатода.

Планк, рассматривая излучения абсолютно черного тела, пришел к выводу, что излучение формулу, сопоставив свои работы с формулой Вина. Кстати, Планк получил нобелевскую

премию за эту формулу. Развивая идеи Планка, Эйнштейн ввел гипотезу световых квантов, согласно которой электромагнитное излучение само состоит из таких квантов, и на ее основе объяснил, и сформулировал ряд закономерностей фотоэффекта, люминисценсии и фотохимических реакций. За проделанную по настоящему гениальную работу, Эйнштейн в 1921 году был удостоен нобелевской премии. Работы его были удостоены и многих других почетных наград.

Первый закон гласит, что количество электронов, вырываемых с поверхности металла за одну секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. В этом ничего неожиданного нет: чем больше энергия светового пучка, тем эффективнее его действие.

Теперь рассмотрим кинетическую энергию световой волны или скорость электронов. (схема на прозрачке). Из опыта видно, что при отсутствии напряжения фотоэлектроны достигают правого электрода. Если изменить полярность батарейки, то образуется некоторое поле, которое будет тормозить электроны и возвращать их на место, то есть при определенном задерживающим напряжением фототок равен нулю. Дальнейшие эксперименты доказали, что при изменении интенсивности света, задерживающее напряжение не меняется. Из этого можно найти значение кинетической энергии электронов.

Второй закон — максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не происходит. Эта минимальная частота названа красной границей. Почему именно красная, а не зеленая? Дело в том, что если рассматривать спектр видимых электромагнитных излучений, то красный свет имеет самую низкую частоту. По формуле hv, он обладает самой малой энергией, то есть самая маленькая энергия, которая необходима для преодоления сил удерживающих междоузельный электрон на поверхности, названа красной.

Именно Эйнштейн высказал смелую гипотезу о том, что свет имеет двойственную структуру, он ведет себя как поток частиц и как волна одновременно. Также он высказал гипотезу о том, что свет не только излучается в виде отдельных дискретных квантов, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом. В данном случае, междоузельный электрон получает энергию фотона.

При очень больших интенсивностях света, достижимых с помощью лазеров, наблюдается многофотонный или нелинейный, фотоэффект. При многофотонном фотоэффекте электрон может одновременно получать энергию не одного, а N фотонов.

Все результаты работы внесли и даже открыли новую дверь в физику, а точнее квантовую физику. И в большей мере заслуга за этим лежит на Эйнштейне.

Макс Борн сказал: «идеи Эйнштейна дали физической науке импульс, который освободил ее от устаревших философских доктрин, и превратил в одну из решающих сил современного мира людей»

Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она дает нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать производство, улучшать условия материальной и культурной жизни общества.