Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 142
Текст из файла (страница 142)
В этих условиях, как показали опыты Вавилова, удается наблюдать флуктуационные колебания светового потока, имеющие ясно выраженный статистический характер. Хотя в таких опытах и нельзя однозначно отделить квантовые флуктуации светового потока от флуктуаций, связанных с физиологическими процессами в глазу, тем не менее и они могут рассматриваться как подтверждающие квантовый характер явления; кроме того, эти опыты дают результаты, существенные для исследования свойств живого глаза.
В частности, с их помощью удалось установить, что число квантов, которые должны поглощаться в сетичашке при пороговом раздражении, раз в 9 — 10 меньше числа квантов, падающих на зрачок, и составляет примерно 20 в секунду. Итак, совокупность сведений о фотоэффекте, изложенных выше, настойчиво свидетельствует в пользу представления о световых квантах. Можно сказать, что свет частоты и не только покидает атом в виде порции энергии, равной Ьи, но и в дальнейшем распространяется в пространстве и вступает во взаимодействие с веществом в виде такой порции, локализованной и перемещаюгцейся как целое со скоростью света. Для таких элементарных световых частиц принято специальное название -- фокион. Энергия фотона зависит от его частоты и равна Ьи.
Выше, в гл. ХХП, был приведен один из основных выводов теории относительности„согласно которому с энергией Ж неразрывно связана масса т, причем численное соотношение между Ф и гп дается выражением Ф = .2 = шс . На этом основании масса т фотона определяется выражением (178.1) Так как фотон движется со скоростью света, то он обладает импуль- ДЕЙСТВИЯ СВЕТА сом с абсолютной величиной Ьь' р= в»с=в с (178.2) и направлением, совпадаюгцим с направлением распространения волны. Итак, энергия фотона равна 6и, его масса равна Йи/с-, величина его импульса равна Ы/с.
Корпускулярные свойства фотона не должны заставить нас забыть о том, что для огромного круга явлений, с которыми мы ознакомились ранее, волновые представления оказались в высшей степени плодотворными. Отметим только, что и в явлении фотоэффекта есть черты, говорящие в пользу- классических волновых представлений о свете. Эти черты особенно отчетливо выступают при исследовании зависимости силы фототока от длины волны. ~ 179. Зависимость силы фототока от длины световой волны Для исследования зависимости силы фототока от длины волны необходимо определить силу тока насьпцения, соответствующего определенной лучистой энергии мо- 1 нохроматического света. Результаты подобных измерений приведены на рис.
32.7, где по оси ординат отложена сила тока насыщения 1, отнесенная к поглощенной лучистой энергии, а по оси абсцисс — длина волны Л. Рисунок 32.7 показывает, что «красная граница» соответствует Л = Лв и с уменьшением длины волны сила тока на Рис. 32.7. Зависимость силы единицУ поглоЩеннои энеРгии возрастает.
Это значит, что свет с более коНормальный фотозффект; Л Роткой длиной волны более эффектисоответствует «красной гра- вен. Если принять во внимание, что чем короче длина волны падающего света, тем мвныие квантов содержится в единице поглощенной энергии (ибо для коротких волн сами кванты, равные Йр = Ьс/Л, больше), то из кривой рис. 32.7 ясно видно, как сильно растет способность фотонов выделять электроны по мере перехода к более «крупным» фотонам. Опыт показал, однако, что ход зависимости, изображенный на рис.
32.7, не всегда имеет место. У ряда металлов, особенно щелочных, для которых красная граница лежит далеко в видимой и даже в инфракрасной области спектра и которые, следовательно, чувствительны к широкому интервалу длин волн„наблюдается следуюгцая особенность: сила тока имеет резко выраженный максимум для определенного спектрального участка, быстро спадая по обе его стороны (свлвктнвньт', или избирательный, фотоэффект, рис. 32.8). Селективность фотоэлектрических явлений очень напоминает резонансные эффекты. Дело происходит так, как будто электроны в металле обладают собственным периодом колебаний, и по мере приближения час- гл.
хххп. еотоэликтг ичиский эееикт 587 тоты возбуждающего света к собственной частоте электронов амплитуда колебаний их возрастает и они преодолевают работу выхода. Подтверждение подобного взгляда можно было бы видеть в том 7 обстоятельстве, что явление селективного фотоэффекта сильно зависит от направления поляризации света и у гла падения. Если падающий свет (рис. 32.9) поляризован так, что электрический вектор параллелен плоскости падения (Е~~), то эффект резко усиливается. Наоборот, при повороте 200 ЗОО 500 Л, нм плоскости поляризации на 90' (Е~) 1~ис. 32.8. Зависимость силы вом случае электрический вектор име- фо отока от длины волны в ет слагаюЩУю, пеРпенДикУлЯРнУю к области селективвого фотоэфповерхности металла, во втором — нет. Легко видеть, что компонента Ев, перпендикулярная к поверхности металла, тем больше, чем ближе угол падения а к прямому (см.
рис. 32.9). И действительно, величина селек- тивного максимума резко возраста- Я ет по мере увеличения угла падения (рис. 32.10). Если угол падения достаточно .О -!! велик, то в области селективного эффекта. изменение направления вектора К,т.е. ориентация электрического вектора, сказывается чрезРис. 32.9. Роль направления ко- вычайно отчетливо на величине фолебы1ий для Бел„.„„,ы,.лектив- то .
Рисунок 32.11 изобр ет силу тока насыщения в зависимости от длины волны для двух ориентаций электрического вектора — перпендикулярной (Е~ ) и параллельной (Е~~) плоскости падения. Приведенные кривые соответствуют углу падения в 60' и относятся к сплаву калия и натрия, максимум чувствительности которого приходится на длину- волны Л = 390.,0 нм. Ниже приводятся положения максимума для ряда чистых металлов: По всей вероятности, и другие металлы обнаруживают селективный эффект, однако максимумы для них лежат в очень коротковолновой области спектра и труднодоступны для наблюдения. Следует заметить, что легко наблюдаемый большой селективный максимум щелочных металлов принадлежит не чистому металлу, а соединениям, обычно образующимся на поверхности вслед- деиотВия сВе'1'А ствие присутствия следов газа.
При очень больших предосторожностях удается получить чистые тюверхности, для которых эффект выражен гораздо слабее. Тем не Фототок менее существование селектив- 80' ного фотоэффекта и его характер отчетливо указывают на плодотворность волновых представлений для понимания фотоэффекта. Однако для полной количественной трактовки этих явлений, включая и явление селективного фотоэффекта, требуется применение углубленных представлений о металле, даваемых современной квантовой теорией. Законы фотоэффекта., изложенные в данном и предыдущем параграфах, были установлены для сравнительно небольших интенсивностей света. ИнтерпрРтация фОТОзффРкта, ОСНО- ванная на квантовых представлениях, связывает освобождение электрона с передачей ему энергии одного фотона падающего света.
Выпте мы убедились в том, что в случае мощного света 3' 240 200 61' ° 50 1ба 39" 12О 20' 300 400 500 Х, нм 0 ') Явление термоэлектрошюй эмиссии обусловлено тем, что наиболее быстрые электроны металла, обладающие энергией, превыгнающей работу выхода, преодолевают потенциальный барьер и выходят за пределы металла. Подробнее см. С.Г. К а л а ш н и к о в. Электричество.— М.: Физматлит, 2002. Рис. 32.10. Зависимость величины се- оптический электРон атомов лективного фотоэффекта от угла па- и молекУл может пРиобрести дения (числа у кривых) энергию нескольких фотонов (многофотонные поглощение и ионизация, см. 3 157).
Аналогичное явление было обнаружено и по отношению к свободным электронам металлов (Фаркаш с сотр., 1967 г.). Если при освещении поверхности металла электрон способен приобрести энергию Ж фотонов (т.е. энергию ХЬР), то следует ожидать, очевидно, уменьшения граничной частоты в Х раз (смещения красной границы фотоэффекта в сторону длинных волн). Наблюдению фотоэффекта за красной границей, требующему, как мы увидим, огромной интенсивности света, длительное время препятствовало сильное нагревание металла, приводящее к термозлектронной эмиссии ), для которой красная граница, разумеется, не существует.
Маскирующее влияние термозмиссии было почти палностьи> устранено применением гл. хххп. еотоэлнкт~ ичкокий эеа нкт 589 сверхкоротких импульсов лазерного излучения (см. 8 230) длительностью 10 ы — 10 ~~ с и скользягцим освещением фотокатода (угол падения около 83'). И тот, и другой прием приводят к уменьшению нагревания и к подавлению термоэлектронной эмиссии. В этих условиях фотоэлектроны были надежно зарегистрированы далеко за красной границей (вплоть до пятикратного уменыттения частоты света в сравнении с граничной частотой, определяемой работой выхода). Законы многофотонного, или нелинейного, фотоэффекта имеют много общего с законами линейного (однофотонного) фотоэффекта, рассмотренного выше. Пусть Фототок частота света лежит в пределах РР— < Ьи < Х вЂ” 1' 160 хп)плоскости о1( падения так что для выхода фотоэлектрона необходимо поглощение им не менее Х фотонов.
11ри этом условии, как показывает исследование распределения фотоэлектронов по скоростям, выполняется соотношение г +Р=ХЬ, вполне аналогичное уравнению 120 80 40 0 200 300 400 500 Х, им Эйнпттейна (177.1) и означающее, что фотоэлектрондействи рис, 32.11, Зависимость фотоэффекта тельно приобрел энергию Х фо- от длины волны для двух различных тонов. Число фотоэлектронов ~ направлений колебания характеризуемое величиной тока насыщения, оказалось пропорциональным интенсивности света, возведенной в степень гу.
Изменения поляризации света и угла падения (см. рис. 32.9) позволили выяснить, что нелинейный фотоэффект обусловливается исключительно слагакнцей напряженности электрического поля, перпендикулярной к поверхности катода. Перечисленные свойства нелинейного фотоэффекта установлены при использовании фотокатодов из раз.личных материалов (натрий, золото, серебро и др.„а также полупроводники), для различных значений Х = '2,3,4 и б, в широком интервале изменения интенсивности света (от 0,1 до 10 МВт/смг). При значении потока, примерно равном 104 МВт/'см~, по-видимому, имеет место еще одно нелинейное явление, аналогичное автоэлектронной (или холодной) эмиссии: электрическое поле волны изменяет потенциальный барьер на поверхности металла, и электрон получает возможность «просочиться» через барьер, не приобретая энергии выхода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
