Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 141
Текст из файла (страница 141)
В рамках теории Эйнштейна пропорциональность силы фототока насыщения световому потоку также легко объяснима. Действительно, световой поток определяется числом квантов света„падающих на поверхность за единицу времени, а число освобожденных электронов должно быть пропорционально числу падающих квантов; при этом, как показывает опыт, лишь малая часть квантов передает свою энергию отдельным электронам, остальные же расходуются на нагревание металла в целом. Теоретическая формула Эйнштейна была блестяще подтверждена десятилетие спустя опытами Милликена (1916 г.). Измерения Милликена, выполненные по схеме 8 176, чрезвычайно усложненной вследствие применения ряда экспериментальных предосторожностей (свежеочигцаемая поверхность металла в вакууме, учет контактных разностей потенциалов между различными частями аппаратуры и т.д.), дали строго линейную зависимость между 1' и и для нескольких металлов (рис.
32.6). По наклону этих прямых для ряда изученных металлов (Ма, Мя, А1, Сп) было определено значение постоянной Ь. Среднее из этих измерений есть 6 = 6,67 10 в«Дж с, что хороню совпадает со зна ~ениями Ь, полученными из опытов иного рода. дейстВия сВетл 582 Впоследствии данный метод был улу пиен и привел к еще более точным определениям') (6 = 6,658 10 ~~ Дж с, П.И. Лукирский, 1928 г., метод сферического конденсатора, см. 8 176). Из измерений Милликена можно, пользуясь формулой Эйнштейна, определить также и работу выхода.
Найдем то значение и = ио, которому соответствует Ъ' = О, т.е. точку пересечения прямой Милли- кена (см. рис. 32.5) с осью абсцисс; тогда Р = Ьио. Таким образом, если освещать металл светом частоты ио (или меньшей), то и~ = О, т.е. электроны не выйдут из металла даже при наличии некоторого ускоряющего поля. Поэтому найденную таким 40 50 60 70 80 90 100 110 ч,10~~ Гп Рис, 32,5, Зависимость энергии фотоэлектронов от частоты образом частоту ио (или соответствующую длину волны Ло — — с/го) называют граничво6", часгпогпой (красная граница фотоэффекта).
Она лежит в области тем более длинных волн, чем электроположительнее металл, т.е. чем легче отдает он свои электроны. Так, например, для щелочных металлов граница лежит в области видимого света, тогда как для большинства других металлов она находится в ультрафиолете. Необходимо отметить также, что присутствие примесей, например, газов, растворенных в металле, нередко сильно облегчает выход электронов, перемещая границу в область длинных волн.
Ниже приведены зна ~ения ~красной границыэ для нескольких по возможности чисптх металлов: я 178. Обоснование гипотезы световых квантов в явлениях фотоэффекта Уравнение Зйн1птейна (177.1) (его можно также записать в виде пив~ /2 = 6(и — Ро) = с1'), подтвержденное опытами Милликена, под- 1~ ) Цифры Милликена и Лукирского пересчитаны, исходя из нового, более точного значения заряда электрона. гл. хххп.
еотоэликтгичиокий эееикт 583 вергалось и в дальнейшем разнообразным экспериментальным проверкам. В частности, частота падающего света варьировалась в очень широких пределах — от видимого света до рентгеновских лучей, и во всем интервале опыт оказался в превосходном согласии с теорией. В опытах с рентгеновскими лучами проверка упрощается благодаря тому, что и очень велико по сравнению с иш Поэтому соотноп|ение Эйнштейна принимает вид Ьм = сЪ' и позволяет определить и, если измерено 1'. Таким приемом пользуются даже для определения длины волны очень жестких у-лучей, для которых метод дифракции на кристаллах невозможно осуществить с достаточной точностью из-за малости соответствующей длины волны.
Фотоэлектрические опыты с рентгеновскими лучами дают возможность исследовать, распространяется ли световая энергия равномерно во все стороны, как следует из обычных волновых представлений, или она «летит~> то по одному, то по другому направлению в виде дискретных квантов. Действительно, кванты видимого света обладают малым запасом энергии (так, для желтого излучения и = = 5.
1014 с 1, Ьи = 3,31 10 ~~ Дж); поэтому для регистрации их в большинстве опытов приходится иметь дело с большим числом квантов в единицу времени. В соответствии с этим действие, производимое случайным распределением летящих по всем направлениям световых квантов, трудно отличить от действия волны, равномерно распространяющейся во все стороны. Чем больше величина кванта, тем легче наблюдать действие отдельного кванта и легче, следовательно, осуществить опыт наблюдения распространения световой энергии не во все стороны равномерно, а вспышками, то по одному, то по другому направлению.
Рентгеновские кванты удовлетворяют этому усповию. Кроме того, с рентгеновскими лучами легче осуществить условия, необходимые для возбуждения небольшого числа актов испускания в секунду, Для получения рентгеновских лучей нужно бомбардировать электронами анод; всякая остановка (или торможение) электрона сопровождается испусканием рентгеновского импульса. В рамках теории световых квантов в самом благоприятном случае вся кинетическая энергия электрона после остановки перейдет полностью в один-единственный квант, частота которого и определится из условия Ф „„= Ьи.
Если бомбардирующий электрон разгонялся разностью потенциалов 1', то ~'.„„= еГ. Итак, условие максимальной частоты имеет вид Ьи = еЪ'. Действительно, опыт подтвердил, что при испускании рентгеновских волн наблюдается максимальная частота ~коротковолновая граница), определяемая из написанного условия, где 1' — ускоряющая разность потенциалов, с — заряд электрона, и — частота границы и 6 — постоянная Планка. Волны более короткие (большие и) никогда не наблюдаются, волны же более длинные соответствук>т превращению лишь части кинетической энергии электрона в излучение. Определение коротковолновой границы рентгеновского спектра может быть выполнено весьма надежно. Поэтому такого рода опыты используются как один из наиболее совершенных методов определения зна ~ения 584 деио гвия свитА постоянной Планка с помощью соотношения Ьи = е1'. Наилуч|пие измерения, выполненные этим методом, дали 6 = 6,624 10 Дж с. — 34 Регулируя число электронов, бомбардирующих анод, мы можем менять число излучаемых рентгеновских квантов.
Если заставить такие рентгеновские лучи действовать на металлическую пластинку, вызывая фотоэффект, то, как показывает опыт, кинетическая энергия испускаемых электронов равняется энергии кванта. Таким образом, полная схема превращения имеет вид ,2 ,2 ти: гав 2 2 т.е. весь цикл превращений состоит из: 1) превращения работы электрического поля еЪ" в кинетическую энергик> тш /2 электрона в рентгеновской трубке; 2) превращения кинетической энергии этого электрона в рентгеновский квант Ьи, и, наконец; 3) превращения энергии кванта полностью в кинетическую энергию тш2/2 электрона, освобожденного этим квантом при фотоэффекте. Такой цикл гораздо болыпе походит на удар, чем на процесс постоянного накопления в освобождаемом электроне энергии, приносимой волнами.
Подобные опыты можно сильно разнообразить, пользуясь удобством экспериментирования, предоставляемым величинами рентгеновского кванта. Все они говорят в пользу передачи световой энергии концентрированными порциями, т.е. в пользу гипотезы световых квантов. Один из наиболее убедительных опытов этого рода принадлежит А.Ф. Иоффе. Осугцествлены также опыты, показывающие, что энергия рентгеновских лучей распространяется в разные стороны не одновременно, но что порции ее (кванты) летят то в ту, то в другую сторону.
Опыт был выполнен при помощи двух счетчиков ), достаточно чув- 1~ ствительных для того, чтобы зарегистрировать действие одного рентгеновского кванта, и достаточно быстро отмечающих его появление. Опыт этот осуществлен Боте по схеме, указанной на рис. 32.6. Тоненькая пленка А, освещенная сбоку рентгеновскими лучами гг, сама становится источником рентгеновских лучей (рентгеновская флуоресценцил). Два счетчика С1 и Ся расположены симметрично. Попадание рентгеновского излучения в каждый из них вызывает немедленное (меныпе чем через 0,001 с) вздрагивание нити электро- ') Счетчик представляет собой небольшой цилгшдр, внутри которого на изоляторе помещено острие или тонкая проволока.
Между цилиндром и острием создается большая разность потенциалов. Получающееся электрическое поле резко неоднородно и вблизи острия (или нити) может достигать весьма больших значений. Если в таком поле появляется несколько электропов или ионов, то опи приобретают под действием поля очень больп|ую скорость и могут иопизовать при столкновениях окружшощие молекулы газа. Таким образом, число ионов быстро возрастает, и через счетчик протекает кратковремешгый ток заметной силы. Поэтому счетчик способен отмечать (считать) появление отдельных электронов или ионов и является одним из наиболее чувствительных приборов.
В последнее время счетчики широко применяются для исследования космических лучей. гл. хххп. еотоэликт~ ичкокий эееккт 585 с, с метра. Эти вздрагивания регистрируются автоматически на общей ленте, Если из А во все стороны расходятся волны, то работа обоих счетчиков должна происходить одновременно, в такт ~с малыми случайными вариациями). Наоборот, если из 4 летят кванты то в одну, то в другую сторону, то показания электрометров будут беспорядочными и лишь случайно могут оказаться близкими или одновременными.
Опыт совершенно отчетливо обнаружил беспорядочность показаний Л~ электрометров, т.е. доказал, что из А летят кванты то в одну, то в другую сторону. А Аналогичные опыты с квантами о О видимого света затруднены тем, что кванч ы эти малы. Однако к све- '4 ь4 товым квантам очень чувствителен глаз; хотя глаз не реагирует на один Рис. 32.6. Схема опыта Боте отдельный квант, но опыты показыван)т, что необходимое для минимального светового огцущения число квантов в секунду не очень значительно. По измерениям С.И. Вавилова, в области максимальной чувствительности глаза (550 нм) для отдохнувшего глаза пороговая чувствительность в среднем составляет около 200 квантов. падающих за 1 с на зрачок наблюдателя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
