Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Так, например, для вольфрама получены следующие значения работы выхода: 7,18 1О " Дж по фотоэлектронной эмиссии, 7,23 10 " Дж по термоэлектронной эмиссии. Пусть из некоторого металла, для которого работа выхода равна А,под действием света частоты и вырываются электроны со скоростью о, т. е. обладающие кинетической 1 энергией — то'-, Таким образом, ася энергия, сообщенная 2 ! каждому электрону, )ээ = А + — то'.
Опыты, подобные опп- 2 санным выше, показали, что полная энергия, сообщаемая электрону светом, прямо пропорциональна частоте света, 1 т. е. Те'= А + — тра =йт, где Ь вЂ” постоянная величина. 2 Эта постоянная не только не зависит от частоты света и освещенности, но сохраняет одно и то же значение для в с е х веществ. Поэтому Ь является фундаментальной постоянной. Она получила название постоянной Планка в честь немецкого физика Макса Планка. Из описанных опытов можно определить Ь, ибо величины А, то' и т могут быть измерены. Для й получено значение 6,6 10 "Дж с.
Пользуясь найденными соотношениями, второй закон фотоэффекта можно формулировать так: полная энергия, получаемая электроном от света частоты т, равна )гт. Испуская под действием света электроны, металл должен заряжаться положительно. Вследствие этого возникает электрическое пото, з ат р у д и я ю щ е е дальнейшее непускание электронов. Какова же предельная разность потенциалов (7 между освещаемой пластникон н стенамн лаборатории (землей), возникновение которой будет препятствовать дальнейшему уходу электронов с пластинки? В условиях опыта, изображенного на рис.
ЗЗО, эта разность потенциалов определяется по показаниям электрометра. На поставленный вопрос нетрудно ответить, пользуясь основными соотношениями, приведенными выше; 1 1 А -1- — вез=ау и е(l =- — глез, 2 2 где е — элементарный заряд '). Сделав соответствующее вычисление для пластинки вольфрама (для которого, как сказано, Л вЂ”.-7,2.10-'з Лж), освещаемой ультрафиолетовым излучением с длиной волны ь.— -200 нм, мы найдем, что 17 м!,7 В, Другими словатпь для того чтобы наблюдать на опыте явление положительной зарядки металла под действиеч излучения, надо располагать чувствительныч электрометром или работать с излучением очень короткой длины волны, например с рентгеновским (см.
)праиснепне 37 в конце главы). Найдя в соответствующем опыте (Г мы можем использовать эти данные для определения длины волны рент. геновского излучения. В 184. Понятие о световых квантах. Закон, сформулированный в конце предыдущего параграфа, вносит совершенно новые черты в представление о свете. Он означает, что свет частоты т сообщает электрону энергию, равную йу, к а к она бы нп была интенсивность света. При сильном свете б о л ь ш е е количество электронов получает указанные и о р ц н и энергии, при слабом— меньшее, но сачи порции остаготся неизменно равнымн (тт.
Таким образом, световой энергии приписывается а т омистический характер; энергия света данной частоты у не может делиться на произвольные части, а проявляет себя в виде совершенно определенных равных порций — «атомов световой энергии» Лля этих порций энергии установлено специальное название; опи именуются ') Соотношение Л+шоз(2=:(ш называется формулой Эйнштейна. Оно справедливо для максимальной скорости электронов, вылетающих из пластинки под действием излучения частоты т.
В силу ряда причин не все электроны, покидающие пластинку, имеют эту максимальную скорость. 427 световыми квантами или фотонами. Представление о световых квантах было введено Эйнштейном в) в 1905 г, То обстоятельство, что в большинстве оптических опытов мы не обнаруживаем квантового характера световой энергии, не является удивительным. Действительно, )г— очень малая величина, равная 6,6 10 з' Дж с. Вычислим энергию кванта зеленого света, например, для 1=500 нм. Соответствующее э=с)).=3 10а15 10 '=6 1О" Гц и, следовательно, )тч=4 10 "Дж; это — очень маленькая величина. Энергия, с которой мы имеем дело в большинстве опытов, состоит пз очень большого числа квантов; естественно, что при этом остается незамеченным, что энергия эта всегда равна ц е л о м у ч и с л у квантов.
Аналогично, большинство опытов с обычными порциями вещества всегда охватывает очень большое количество атомов вещества; поэтому мы не можем заметить в этих опытах, что данное вещество состоит из ц е л о г о ч и с л а минимальных порций— атомов. Требуются специальные опыты, в которых атомистическое строение вещества выступает вполне отчетливо.
Совершенно так же в большинстве обычных оптических опытов от нашего внимания ускользает то обстоятельство, что световая энергия состоит из отдельных световых квантов. В специальных же опытах, к которым и относятся вышеприведенные опыты по фотоэлектрическому эффекту, с полной ясностью выступает к в а н т о в а я п р и р о д и световой энергии. Квантовый характер имеет ие только фотоэффект, но в многие дру. гие явления оптики, атомной и молекулярной физики.
Крайне важно, что во всех таких явлениях играет роль фундаментальная постоянная, которую мы обозначилн буквой й, Эта постоянная в настоящее время определена нз измерений, относящихся к весьма различным явлениям, и числовые значения, нанденные при этом, превосходно согласуются друг с другом. Представление о световых квантах позволяет легко понять смысл первого основного закона фотоэффекта — п р опорциональность между световым потоком и фототоком; световой поток, т.е. энергия, приносимая светом за единицу времени, определяется ч и с л о м с в е т о в ы х к в а н т о в, поступающих за единицу времени.
Ясно, что чем больше это число, тем больше электронов приобретет дополнительную энергию, приносимую этими квантами, и тем больше электронов выле- *) Альберт Э й н ш те й н ()879 — !9бб) — выдающийся ученый, одни из создателей современной физики. Родился в Германии, работал в Швейпарни и Германии. После прихода к власти папистов эмигрировал в США.
тит из освещенного металла за единицу времени, т. е. тем сильнее будет фототок. Конечно, это не означает, что число вылетевших электронов должно быть равно числу квантов, попавших за то же время в металл. Не всякий квант сообщает свою энергию отдельному электрону. Значительная часть энергии будет распределена между атомаьш металла и поведет к нагреванию его. Действительно, опыт показывает, что лишь малая часть (меньше 1%) ") световой энергии обычно переходит в энергию вылетевших электронов. Остальная же часть поглощенных световых квантов ведет к нагреванио металлов.
8 185. Применение фотоэлектрических явлений. Изучение законов фотолента дало очень много для углубления наших знаний о свете. Поэтому фотоэлектрические явления имеют очень большое научное значение. В то же время и практическое (техническое) значение фотоэффекта очень велико. Особенно возросли возможности разнообразных применений фотоэффекта после того, как научились изготовлять фотоэлементы, чувствительные не только к ультрафиолетовому излучению, как это было описано в 8184, но и к инфракрасному излучению и к видимому свету. 1 Соотношение А+ — пзпа=(тт показывает, чтопри умень- 2 шенин т, т.
е. увеличении длины волны падающего света, скорость вырываемых электронов уменьшается. Когда л т = —, то о=0. Это значит, что при соответствующей часа тоте электроны не могут отделиться от металла, т. е. фото- эффект не имеет места. Таким образом, для каждого металла существует и р едее л ь н а я длина волны света, способного вызвать фото- эффект.
Если падающий свет имеет длину волны больше предельной, тофотоэффект не возникает, как бы ни был интенсивен свет. Поэтому, например, для наблюдения фотоэффекта на цинке необходимо было прибегать к ультрафиолетовому излучению, ибо работа выхода для цинка довольно велика (Ада=6,8.10 "Дж). При работе с другими веществами можно увеличить )., ибо работа выхода для них меньше; удобны щелочные металлы (натрий, калий, рубидий и особенно цезий: Асс=В 10 " Дж). Еще значительнее понижает- ") Как уже упоминалосьв465, внастоящее время удается для получения фототока использовать до 15% энергии света. Цифра, приводимая в тексте, относится к явлениям фотоэффекта, наблюдаемым прн освещении металлов, ся работа выхода, если обработать поверхность этик металлов, покрыв их соответствующей пленкой.
Благодаря этому удалось получить поверхности, чувствительные не только к видимому, но даже к инфракрасному свету. Фотоэлементы, удобные для практических применений, изготовляют в виде эвакуированного стеклянного баллона, на внутренней поверхности которого нанесен слой чувствительного металла. Нередко в баллон вводят некоторое количество нейтрального газа (например, аргона), который не портит поверхности металла, но может ионизоваться под ударами летящих электронов и увеличивать за счет своих ионов наблюдаемый ток (см, том 11, 393). Поверхность чувствительного металла служит одним электродом фотоэлемента (катодом). Анодом является металлическое колько Рис. 332. Вакуумный фотозлемент а) схема включениям ! — светочувствительный слой (катод), 2 — анод в виде кольна; б) схематическое изображение или пластинка, впаянная в баллон.
Приложив между электродами достаточное напряжение, получаем готовый к действию фотоэлемент (рис. 332). Впоследствии удалось использовать фотоэффект, возникающий между металлом и образованной на нем пленкой окисла. Между металлом и окислом образуется тонкий слой полупроводящего вещества, обладающего свойством пропускать электроны, выделяющиеся из металла, и препятствовать прохождению электронов противоположного направления. Объяснение действия этого так называемого аапираюм(гго слоя довольно сложно (см.
т. 11, 3 110). Практически же применение указанных поверхностей позволяет создавать фотоэлементы, имеющие очень большие преимущества. Они чувствительнее элементов первого типа (использующих фотоэффект со свободной поверхности металла), не нужда- 430 ются во вспомогательной батарее, им может быть придана весьма разнообразная и очень удобная форма (рис.
333). Так как фототок пропорционален световому потоку, то фотоэлементы широко используются для устройства фотометров разнообразного назначения. Один изтакихфотометров, Соеа Рис. ЗЗЗ. фотоэлемент с запирающим слоем. 'а) Схема икл|очении.' ) — металл, 2 — пленка окисла с запирающим слоем; на пленку напылен тонкий (прозрачный) слой металла, к которому прижато металлическое колино я, служащее вторым. электродом; Ь) внешний нид фото- элемента с запирающим слоем служащий для определения о с в е щ е н н о с т и (люкс- метр), описан в З 78. Возможность регистрировать световые сигналы при помощи электрических приборов позволяет комбинировать фотоэлементы с реле (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
