Внешний фотоэффект

В недалеком прошлом русский физик Столетов Александр Григорьевич столкнулся с загадочным явлением – внешним фотоэффектом. Проводя многократные эксперименты, он установил, что металлическая пластинка, а точнее ее поверхность испускает электроны под действием электромагнитного ультрафиолетового излучения или излучения какого-либо другого диапазона. Объяснить этого Александр Григорьевич не смог, но все же, эта работа принесла ему мировую известность.
Эксперимент был проведен в 1888 г. Затем фундаментальные исследования были сделаны многими учеными, такими как Планк, Эйнштейн и др.
Схема эксперимента была такова: электрометр, с присоединенной к нему цинковой пластинкой, заряженной положительно, при освещении пластины, например электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро.
Объяснить это можно единственным образом. Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При положительном заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не изменяется. Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни было интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого можно заключить, что именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себе не сложный факт нельзя объяснить на основе классической электромагнитной теории света. Согласно этой теории вырывание электронов является результатом “раскачивание” их в электромагнитном поле световой волны, которое должно усиливаться при увеличении интенсивности света и пропорциональной ей энергетической освещенности фотокатода.
Планк, рассматривая излучения абсолютно черного тела, пришел к выводу, что излучение формулу, сопоставив свои работы с формулой Вина. Кстати, Планк получил нобелевскую
премию за эту формулу. Развивая идеи Планка, Эйнштейн ввел гипотезу световых квантов, согласно которой электромагнитное излучение само состоит из таких квантов, и на ее основе объяснил, и сформулировал ряд закономерностей фотоэффекта, люминисценсии и фотохимических реакций. За проделанную по настоящему гениальную работу, Эйнштейн в 1921 году был удостоен нобелевской премии. Работы его были удостоены и многих других почетных наград.
Первый закон гласит, что количество электронов, вырываемых с поверхности металла за одну секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны . В этом ничего неожиданного нет: чем больше энергия светового пучка, тем эффективнее его действие.
Теперь рассмотрим кинетическую энергию световой волны или скорость электронов. (схема на прозрачке). Из опыта видно, что при отсутствии напряжения фотоэлектроны достигают правого электрода. Если изменить полярность батарейки, то образуется некоторое поле, которое будет тормозить электроны и возвращать их на место, то есть при определенном задерживающим напряжением фототок равен нулю. Дальнейшие эксперименты доказали, что при изменении интенсивности света, задерживающее напряжение не меняется. Из этого можно найти значение кинетической энергии электронов.
Второй закон – максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не происходит. Эта минимальная частота названа красной границей. Почему именно красная, а не зеленая? Дело в том, что если рассматривать спектр видимых электромагнитных излучений, то красный свет имеет самую низкую частоту. По формуле hv, он обладает самой малой энергией, то есть самая маленькая энергия, которая необходима для преодоления сил удерживающих междоузельный электрон на поверхности, названа красной.
Именно Эйнштейн высказал смелую гипотезу о том, что свет имеет двойственную структуру, он ведет себя как поток частиц и как волна одновременно. Также он высказал гипотезу о том, что свет не только излучается в виде отдельных дискретных квантов, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом. В данном случае, междоузельный электрон получает энергию фотона.
При очень больших интенсивностях света, достижимых с помощью лазеров, наблюдается многофотонный или нелинейный, фотоэффект. При многофотонном фотоэффекте электрон может одновременно получать энергию не одного, а N фотонов.
Все результаты работы внесли и даже открыли новую дверь в физику, а точнее квантовую физику. И в большей мере заслуга за этим лежит на Эйнштейне.
Макс Борн сказал: “идеи Эйнштейна дали физической науке импульс, который освободил ее от устаревших философских доктрин, и превратил в одну из решающих сил современного мира людей”
Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она дает нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать производство, улучшать условия материальной и культурной жизни общества.
С помощью фотоэффекта “заговорило” кино и стало возможной передача движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без всякого участия человека изготавливают детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше любого человека, вовремя включают маяки и уличное освещение. Все это оказалось возможным благодаря изобретению особых устройств – фотоэлементов.
Современный вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода ( красной границей). Это катод на который через прозрачное окошко падает свет. В центре расположен анод, который служит для улавливания фотоэлектронов. Анод присоединяют к положительному полюсу батареи. Фотоэлементы реагируют на видимые излучения и даже не инфракрасные лучи. На их основе сделаны автоматы, которые могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлементы почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне.
Что касается фотохимических реакций, то на этой основе сделана фотография.
Объяснение фотоэффекта не единственная заслуга Эйнштейна. Еще он знаменит своей теорией относительности. Специальная теория относительности (частная теория относительности) представляет собой современную физическую теорию пространства и времени. Специальная теория относительности и квантовая механика служит теоретической базой современной физики и техники (например: ядерной физики, техники). Специальную теорию относительности часто называют релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, - релятивистскими эффектами. Как правило, релятивистские эффекты проявляются при скоростях движения тел близкой к величине скорости света в вакууме с=10 м/с и называемых релятивистскими скоростями. Релятивистской механикой называется механика движений с релятивистскими скоростями, основанная на специальной теории относительности.
В специальной теории относительности, так же как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно.
Первый постулат является обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы. Этот постулат – релятивистский принцип относительности Эйнштейна, гласит: в любых инерциальных системах отсчета все физические явления при одних и тех же условиях протекают одинаково. Иначе говоря, физические законы не зависимы по отношению к выбору инерциальной системы отсчета. Второй постулат выражает принцип инвариантности скорости света. Она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчета, являясь одной из важнейших физических постоянных. Опыты показывают, что скорость света в вакууме - предельная скорость в природе.
Альберт Эйнштейн был в жизни очень разносторонним человеком (как и все гениальные люди).
Его предки – евреи эмигранты, переселились в Вьюртенберг в XVI веке.
Отец физика, Герман Эйнштейн, выделялся своими математическими способностями, но его родители не обладали средствами, чтобы дать ему высшее образование. Мать, Паулина Эйнштейн – Кох, была музыкально одаренной женщиной, дочерью богатого торговца зерном, музыкальность матери и математические отца не только передались сыну, но и проявились у него гораздо более ярко.
С детских лет у мальчика развивалась глубокая любовь к природе, Алберт Эйнштейн в последствие всегда любил жить в сельской местности или в провинциальных городках.
Еще будучи школьником, в Мюнихе, Эйнштейн занимался музыкой. С шестилетнего возраста его начали учить игре на скрипке. В начале мальчик воспринимал эти уроки как скучную обязанность, но вскоре музыка увлекла его, а с течением времени она стала его вторым призванием. Отправляясь в любые поездки, Эйнштейн брал с собой скрипку, даже в первое время появлялся на заседании Берлинской академии наук со скрипичным футляром.
“Альбертель”, так его называли родители, держался обычно в стороне от своих школьных сверстников. Больше всего он любил заниматься в одиночестве своими кубиками или выпиливать лобзиком. Иногда он писал стихи, в которых он с насмешкой отзывался о несмелых, робких людях ( сам он к таким не относился). Еще до того как Эйнштейн поступил в школу, отец однажды подарил ему компас. Этот простой предмет с неожиданной силой возбудил любознательность мальчика, внешность вещей таил в себе что-то глубоко скрытое в пространстве, которое обычно считается пустым. Хотя знакомство с компасом относилось к тому периоду жизни великого исследователя, когда он был еще далек от занятий наукой, оно оказало сильное влияние на последующую деятельность. Альберт Эйнштейн был человеком прагматичным и даже жадным. Об этом свидетельствует и тот факт, что люди приходившие в гости, открывая калитку, приводили в действие определенный механизм, который поливал огород изобретателя.
Научное творчество Альберта Эйнштейна поразительным образом сочеталось с активной деятельностью во имя гуманизма и защиты мира. Эйнштейн был буквально основателем государства Израиля, его даже приглашали стать правителем этого государства, но он отказался.
Макс Борн сказал : “идеи эйнштейна дали физической науке импульс, который освободил ее от устаревших философских доктрин и превратил в одну из решающих сил современного мира людей.”