предыдущий домой следующий на украинском

Фотоэлектрический эффект

Майкл Фаулер, UVa.

Герц находит волны Максвелла и кое-что еще.
Более простой подход Халлвакса
Дж. Дж. Thomson идентифицирует частицы
Ленард находит некоторые сюрпризы
Эйнштейн предлагает объяснение
Попытки теории Милликена опровергнуть Эйнштейна
Ссылки

Герц находит волны Максвелла и кое-что еще

Наиболее драматичным предсказанием теории электромагнетизма Максвелла, опубликованным в 1865 году, было открытие существования электромагнитных волн, движущихся со скоростью света, и вывод о том, что сам свет был именно такой волной. Это потребовало от экспериментаторов экспериментов, что бы генерировать и обнаруживать электромагнитное излучение с помощью каких-либо электрических устройств. Первая явно успешная попытка была предпринята Генрихом Герцем в 1886 году. Он использовал индукционную катушку высокого напряжения, чтобы вызвать искровой разряд между двумя кусками латуни, по его словам: « Представьте себе цилиндрический латунный корпус диаметром 3 см и длиной 26 см. прерывается на полпути по длине искровым разрядником, полюса которого с обеих сторон образованы сферами радиусом 2 см «Идея заключалась в том, что как только искра образует проводящий путь между двумя латунными проводниками, заряд будет быстро колебаться взад и вперед, испуская электромагнитное излучение с длиной волны, аналогичной размеру самих проводников».

Чтобы доказать, что радиация действительно испускалась, ее нужно было обнаружить. Герц использовал кусок медной проволоки толщиной 1 мм, согнутый в круг диаметром 7,5 см, с небольшой латунной сферой на одном конце, а другой конец проволоки был заострен, острие находилось около сферы. Он добавил винтовой механизм, так что точку можно было перемещать очень близко к сфере контролируемым образом. Этот «приемник» был спроектирован таким образом, чтобы ток, колеблющийся взад и вперед по проводу, имел собственный период, близкий к таковому у «передатчика», описанного выше. О наличии колеблющегося заряда в приемнике будет сигнализировать искра через (крошечный) зазор между острием и сферой (обычно этот зазор составляет сотые доли миллиметра). (Герцем было предложено заменить этот искровой разрядник в качестве детектора на специально подготовленную «лягушачью ногу», но это явно не сработало.)

Эксперимент прошел очень успешно – Герц смог обнаружить излучение на расстоянии до пятидесяти футов и в серии гениальных экспериментов установил, что излучение отражается и преломляется, как ожидалось, и что оно поляризовано. Главная проблема – ограничивающий фактор в обнаружении. Быть в состоянии видеть крошечную искру в приемнике. Пытаясь улучшить видимость искры, он наткнулся на нечто очень загадочное. Еще раз процитирую Герца (он называл передающую искру A , приемник B ): “Я иногда помещал искру B в темный футляр, чтобы облегчить наблюдения; и при этом я заметил, что максимальная длина искры в этом случае стала значительно меньше, чем была раньше. При последовательном извлечении различных частей гильзы было видно, что единственная его часть, которая оказывала этот вредный эффект, была та, которая экранировала искру B от искры A. Перегородка на этой стороне проявляла этот эффект, не только когда она находился в непосредственной близости от искры B, но также и тогда, когда она находилась на большем расстоянии от B между A и B. Столь замечательное явление требовало более тщательного исследования ».

Затем Герц приступил к очень тщательному расследованию. Он обнаружил, что маленькая искра приемника была более сильной, если на нее воздействовал ультрафиолетовый свет от искры передатчика. Чтобы понять это, потребовалось много времени – сначала он проверил наличие какого-то электромагнитного эффекта, но обнаружил, что лист стекла эффективно экранирует искру. Затем он обнаружил, что кварцевая пластина не экранирует искру, после чего он использовал кварцевую призму, чтобы разделить свет от большой искры на составляющие, и обнаружил, что длина волны, которая делала маленькую искру более мощной, была за пределами видимого диапазона в ультрафиолете.

В 1887 году Герц пришел к выводу, чем должны были быть, месяцы исследований: «… в настоящее время я ограничиваюсь сообщением полученных результатов, не пытаясь представить какую-либо теорию, относящуюся к способу возникновения наблюдаемых явлений ».

Более простой подход Холлвакса

В следующем, 1888 году, другой немецкий физик, Вильгельм Халльвакс, из Дрездена писал:

« В недавней публикации Герц описал исследования зависимости максимальной длины индукционной искры от излучения, полученного ею от другой индукционной искры. Он доказал, что наблюдаемое явление является действием ультрафиолетового света. Природа явления могла быть выяснена из-за сложных условий исследования, в котором оно возникло. Я попытался получить связанные явления, которые имели бы место в более простых условиях, чтобы облегчить объяснение явлений. Успех был достигнут исследуя действие электрического света на электрически заряженные тела ».

Затем он описывает свой очень простой эксперимент: чистая круглая пластина из цинка была установлена на изолирующей подставке и прикреплена проволокой к электроскопу с золотым листом, который затем заряжался отрицательно. Электроскоп очень медленно терял заряд. Однако, если на цинковую пластину попадал ультрафиолетовый свет от дуговой лампы или от горящего магния, заряд быстро улетучился. Если пластина была заряжена положительно, быстрой утечки заряда не было. (Мы показали это как демонстрацию лекции, используя УФ-лампу в качестве источника.)

Вопросы к читателю : Может быть, ультрафиолет как-то испортил изоляционные свойства подставки, на которой стояла цинковая пластина? Могло ли быть так, что электрические или магнитные эффекты от большого тока в дуговой лампе каким-то образом вызывали утечку заряда?

Хотя эксперимент Халлваха определенно прояснил ситуацию, он не предложил никакой теории происходящего.

Дж.Дж.Томсон определяет частицы

Фактически, ситуация оставалась неясной до 1899 года, когда Томсон установил, что ультрафиолетовый свет вызывает испускание электронов , тех же частиц, что и в катодных лучах. Его метод заключался в том, чтобы поместить металлическую поверхность, подвергающуюся воздействию излучения, в вакуумную трубку, другими словами, сделать ее катодом в электронно-лучевой трубке. Новая особенность заключалась в том, что электроны должны были выбрасываться из катода излучением, а не сильным электрическим полем, используемым ранее.

К этому времени сложилась правдоподобная картина происходящего. Атомы в катоде содержат электроны, которые колеблются и принуждаются колебаться под действием колеблющегося электрического поля падающего излучения. В конце концов, некоторые из них будут выброшены из катода. Стоит внимательно рассмотреть, как можно ожидать, что количество и скорость испускаемых электронов будут зависеть от интенсивности и цвета падающего излучения. Увеличение интенсивности излучения приведет к более сильному встряхиванию электронов, поэтому можно было бы ожидать, что их будет испускаться больше, и в среднем они будут выстреливать с большей скоростью. Увеличение частоты излучения приведет к более быстрому сотрясению электронов, поэтому электроны могут выйти быстрее. В случае очень тусклого света электрону потребуется некоторое время, чтобы достичь достаточной амплитуды колебаний, чтобы его можно было расшатать.

Ленард находит сюрпризы

В 1902 году Ленард изучил, как энергия испускаемых фотоэлектронов изменяется в зависимости от интенсивности света. Он использовал угольную дугу и смог увеличить интенсивность в тысячу раз. Выброшенные электроны попадают в другую металлическую пластину, коллектор, который был соединен с катодом проволокой с чувствительным амперметром для измерения тока, создаваемого освещением. Чтобы измерить энергию выброшенных электронов, Ленард зарядил пластину коллектора отрицательно, чтобы оттолкнуть электроны, идущие к ней. Таким образом, только электроны, выброшенные с достаточной кинетической энергией, чтобы подняться на этот потенциальный холм, будут вносить вклад в ток. Ленард обнаружил, что существует четко определенное минимальное напряжение, препятствующее прохождению любых электронов, мы назовем это Vstop. К своему удивлению, он обнаружил, что Vstop совершенно не зависело от интенсивности света! Удвоение интенсивности света удвоило количество испускаемых электронов, но не повлияло на энергии испускаемых электронов. Более мощное осциллирующее поле выбрасывает больше электронов, но максимальная индивидуальная энергия выброшенных электронов была такой же, как и для более слабого поля.

Но Ленард сделал кое-что еще. Его очень мощная дуговая лампа имела достаточную интенсивность, чтобы разделить цвета и проверить фотоэлектрический эффект с использованием света разных цветов. Он обнаружил, что максимальная энергия выброшенных электронов действительно зависит от цвета. Чем короче длина волны, тем выше частота света, поэтому электроны выбрасываются с большей энергией. Однако это был довольно качественный вывод – измерения энергии были не очень воспроизводимыми, потому что они были чрезвычайно чувствительны к состоянию поверхности, в частности к ее состоянию частичного окисления. В лучшем вакууме, доступном на тот момент, значительное окисление свежей поверхности происходило за десятки минут. (Детали поверхности имеют решающее значение, потому что самые быстрые электроны испускаются справа от поверхности, и их связывание с твердым телом сильно зависит от природы поверхности – это чистый металл или смесь атомов металла и кислорода?)

Вопрос: На приведенном выше рисунке батарея представляет собой потенциал, который Ленард использовал для отрицательной зарядки коллекторной пластины, что на самом деле могло бы быть источником переменного напряжения. Поскольку электроны, испускаемые синим светом, попадают на пластину коллектора, очевидно, что потенциал, обеспечиваемый батареей, меньше, чем Vstop для синего света. Покажите стрелкой на проводе направление электрического тока в проводе.

Эйнштейн предлагает объяснение

В 1905 году Эйнштейн дал очень простую интерпретацию результатов Ленарда. Он просто предположил, что приходящее излучение следует рассматривать как кванты частоты hf с участием f частоты. При фотоэмиссии один такой квант поглощается одним электроном. Установлено, что наиболее энергичные испускаемые электроны имеют энергию в зависимости от частоты света как

E=hf−W,

где W – константа, зависящая от материала.

Стоит хорошенько подумать о W . Стандартное объяснение во многих учебниках (и более ранних версиях этой лекции!) Заключалось в том, что W – это минимальная работа, необходимая в первую очередь для того, чтобы вырвать электрон из эмиттера: работа выхода (отсюда W ) эмиттера. Но это неправильно! Напряжение V обеспечиваемая батареей или, что более реалистично, некоторым источником переменного напряжения, представляет собой разность напряжений между внутренним металлом эмиттера и внутренним металлом коллектора. Фотон должен дать электрону достаточную энергию, чтобы доставить ее из металла эмиттера в точку сразу за поверхностью коллектора. Но такая точка находится при напряжении Wcoll работы выхода коллектора. выше, чем внутри металлического коллектора! Следовательно, фотон должен отдавать энергию

hf=V+Wcoll,

где, помните, V напряжение, обеспечиваемое батареей (или другим источником ЭДС).

При повышении отрицательного напряжения до тех пор, пока ток не прекратится, то есть до Vstop частота фотона определяется выражением

eVstop=hf−Wcoll.

Таким образом, теория Эйнштейна дает очень определенный количественный прогноз: если частота падающего света меняется, и Vstop на графике как функции частоты наклон линии должен быть h/e.

Также ясно, что для данного металла существует минимальная частота света, для которой квант энергии равен работе выхода. Свет ниже этой частоты, каким бы ярким он ни был, не вызывает фотоэмиссии.

Попытки Милликена опровергнуть теорию Эйнштейна

Если принять теорию Эйнштейна, то это совершенно другой способ измерения постоянной Планка. Американский физик-экспериментатор Роберт Милликен , не принимавший теорию Эйнштейна, которую он рассматривал как атаку на волновую теорию света, работал над фотоэлектрическим эффектом десять лет, до 1916 года. Он даже разработал методы очистки металлических поверхностей внутри вакуумной трубки. Несмотря на все свои усилия, он нашел неутешительные результаты: он подтвердил теорию Эйнштейна, измерив этим методом постоянную Планка с точностью до 0,5%. Утешало то, что за эту серию экспериментов он действительно получил Нобелевскую премию.