А.Н. Матвеев - Атомная физика, страница 5

При генера­ции электромагнитных волн посредст­вом возбуждения электрических коле­баний в откры том контуре с разряд­ником Г. Герц обнаружил (1887), чтодлина искры между металлическимиэлектродами разрядника увеличива­ется, если катод освещается ультра­фиолетовым светом.

Другими слова­ми, падаю щий на металлический ка­тод ультрафиолетовый свет облегчаетпроскакивание искры между катодоми анодом. Э то наблюдение положилоначало экспериментальным работамВ. Гальвакса, А. Столетова, П. Ленарда и др., в которых была выясненафизическая сущность наблю даемогоявления и установлены его основныеколичественные характеристики. Са­м о явление получило название внеш­него фотоэффекта.Экспериментальные факты. Приоблучении ультрафиолетовым светомотрицательно заряженного электро­скопа (рис. 1,а) происходит его раз­рядка (рис. 1,6).

Положительно заря­женный электроскоп (рис. 2, а) приоблучении не разряжается (рис. 2,6).Это значит, чтопри падении света на металлическийшарик электроскопа из него удаляет­ся в окружающее пространство отри­цательный заряд.Возможное предположение о том,что при облучении шарику электро­скопа передается положительный за­ряд из окружающего пространства,отвергается результатом опыта с по­ложительно заряженным электроско­пом.Для изучения количественных ха­рактеристик этого явления использо­валась установка, показанная схема­тически на рис.

3. В откачанный довысокого вакуума резервуар впаяныметаллический катод К и анод Ан,между которыми создается регули­руемая потенциометром R разностьпотенциалов, измеряемая вольтм ет­ром V. Сила тока, проходящего меж­ду катодом и анодом, определяетсяамперметром А. Через трубку Т ка­тод может облучаться светом.Если облучения катода нет, то иток между катодом и анодом отсутст­вует. При наличии облучения возни­кает электрический ток, сила которо­го зависит от разности потенциалов,интенсивности светового потока, м а­териала катода и частоты света.

Яс­но, что существование тока обеспечи­вается движением отрицательных за­рядов, которые покидаю т поверх­ность катода под влиянием облуче­ния. Однако природа носителей заря­дов не была известна до 1900 г., когдаЛ енард доказал, чтопадающее на катод ультрафиолето­вое излучение выбивает из материалакатода электроны.В этом состоит физическое содер­жание внешнего фотоэффекта, кото­рый обычно называю т просто ф ото­эффектом.Зависимость силы ф ототока I отчастоты со падаю щ его на катод свето­вого потока при постоянных плот­ности потока энергии S и разностипотенциалов U показана на рис. 4.При частотах меньше согр фототок невозникает.

Зависимость I ( U ) приS = const и со = const показана нарис. 5. При положительных значенияхразности потенциалов электроны уско­ряются от катода к аноду, при отри­ц ател ьн ы х-и х ускорение происходитв обратном направлении. При нуле­вой разности потенциалов имеется§ 1. Фотоэффект 1 9поток электронов от катода к аноду.Это означает, чтовыбиваемые из катода электроны по­кидают поверхность катода с некото­рой скоростью и благодаря этомудостигаю т анода.Д ля их остановки и прекращенияфототока необходимо приложитьтормозящ ую разность потенциаловU0.

При увеличении разности потен­циалов фототок увеличивается и стре­мится к току насыщения / нас. Токнасыщения является возрастаю щ ейфункцией плотности светового пото­ка S. Торм озящ ая разность потенциа­лов U0 от плотности светового пото­ка энергии S не зависит. Зависимость(70 (со) показана на рис. 6. Н а рис. 7ток насыщения / нас представлен какфункция от плотности потока энергииS.При торм озящ ем потенциале U0(см.

рис. 5) электроны, покинувшиеповерхность катода с максимальнойскоростью имакс, полностью теряю тэту скорость. По закону сохраненияэнергии,qU 0 = 1/ 2mev l aKC,(1.1)где те-м а с с а электрона, <7- е г о заряд.Заметим, что заряд электрона q = —еи тормозящ ий потенциал U0 отрица­тельны, а их произведение qU 0 поло­жительно. Наличие ф ототока насы­щения (см. рис. 5) и прямая пропор­циональность силы фототока насы­щения / нас плотности светового пото­ка энергии S (рис.

7) свидетельствуют,чточисло электронов, выбиваемых из ка­тода в единицу времени, пропорцио­нально плотности светового потока.Заметим, что U0 в (1.1) не совпа­дает с показаниями вольтметра, из­меряющего тормозящ ее напряжение,и отличается от этих показаний наконтактную разность потенциалов1При облучении ультрафиолетовым светомотрицательно заряженный металлический ш а­рик разряжаетсяПри облучении ультрафиолетовым светомположительно заряженный шарик сохраняетсвой зарядСхема установки для экспериментального ис­следования законов фотоэффекта1. Корпускулярны е свойства электром агнитны х волнЗависимость силы ф ототока I от частотысо при S = const и U = constЗависимость силы ф ототока I от разностипотенциалов U при S = const и со = constlUolЗависимость тормозящ ей разности потенцна-Зависимость тока насыщения / нас от плотностисветового потока Sмежду материалами анода и катода.Это обстоятельство необходимо учестьпри количественном анализе явления.Экспериментальныезакономер­ности, выраженные графиками нарис.

4 -7 , можно сформулировать ввиде законов внешнего фотоэффекта:1. Существует граничная частотасвета согр, ниже которой для данногоматериала катода фотоэффект отсут­ствует, независимо от плотности све­тового потока энергии и продолжи­тельности облучения катода (см.рис. 4).2. Электроны покидаю т поверх­ность катода с энергиями от нуля домаксимальной ll 1mevlt№C, которая независит от плотности светового пото­ка энергии [см.

рис. 5, (1.1)] и линейнозависит от частоты (см. рис. 6).3. При фиксированной частоте из­лучения число электронов, выбитыхиз катода в единицу времени, прямопропорционально плотности светово­го потока энергии [см. рис. 7, 5, (1.1)].Было предпринято также изучениевремени запаздывания появления фо­тотока относительно начала облуче­ния катода световым потоком. К ако­го-либо запаздывания обнаружить неудалось. В первоначальных опытахбыло показано, что время запазды ва­ния меньше 10” 4 с. Позднейшие из­мерения доказали, что это запазды ва­ние меньше 10” 9 с.Противоречие законов фотоэффек­та представлениям классической фи­зики.

Законы фотоэффекта находятсяв резком противоречии с классиче­скими представлениями о волновойприроде света. В рамках волновыхпредставлений о свете качественнофотоэффект может быть объясненследующим образом. Электрическийвектор электромагнитной волны ус­коряет электроны в материале катода.§ 1. Фотоэффект 21Благодаря этому электроны в м етал­ле начинают «раскачиваться», ампли­туда их вынужденных колебаний воз­растает.

При достижении достаточнобольшой энергии электрон покидаеткатод, т. е. происходит внешний ф ото­эффект. Однако объяснить количест­венные закономерности фотоэффектаоказалось невозможно. Амплитудавынужденных колебаний электрона вволновой картине излучения пропор­циональна амплитуде колебаний век­тора напряженности электрическогополя падающей на катод электром аг­нитной волны. П лотность световогопотока энергии прямо пропорциональ­на квадрату амплитуды колебанийнапряженности электрического поляволны. Следовательно, максимальнаяскорость покидающих катод ф ото­электронов должна увеличиваться свозрастанием плотности световогопотока энергии.

В действительностиже скорость фотоэлектронов не зави­сит от нее. Не согласуется также сволновыми представлениями оченьм алое время запаздывания в ф ото­эффекте. Время запаздывания, кото­рое даю т расчеты, оказывается вомного раз больш им эксперименталь­ной верхней оценки времени запазды ­вания. Наличие граничной частоты**ф о т о эф ф ек т не является прямым с в и д е ­тельством корпускулярных свойств света.Корпускулярные свойства света обн ар у­живаются в результате анализа всей с о ­вокупности экспериментально открытыхзаконов ф отоэф ф ек т а.Н есовм естим ость законов ф отоэф ф ек т ас классическими представлениями освойствах электромагнитных волн пр о­является не при качественном, а при ко­личественном п од ход е к его анализу.*Чем о п ределяется числовое значен и е г р а ­ничной частоты?Почемум акси м альнаяэнергияэл ек тр о ­нов, покидаю щ их катод, не зави си т от п лот­ности потока энергии падаю щ его на него и з ­лучения?Как м ож н о качественно в волновой картинвизлучения о бъяснить ф о то эф ф е к т?фотоэффекта также несовместимо сволновыми представлениями.Уравнение Эйнштейна для фотоэф­фекта.

М. Планк для теоретическоговывода предложенной им формулыизлучения черного тела (см. § 11) вы­нужден был предположить (1900), чтоэнергия атом ов, испускающих и по­глощ аю щ их электромагнитную энер­гию, может иметь лишь дискретныйнабор значений. Разность между со­седними значениями энергии в этомдискретном наборе равна Лю (Л -п о ­стоянная, ю -круговая частота, входя­щая в формулу Планка).