6. История изучения фотоэффекта

В 1887 г. Герц при постановке своих знаменитых экспериментов обнаружил, что разряд между двумя металлическими шариками происходит при меньшем напряжении, если их освещать ультрафиолетовым светом.

Факт вызвал всеобщий интерес и был подвергнут обстоятельному изучению. В 1888 г. немецкий физик Гальвакс установил, что при освещении газоразрядного промежутка активную роль играет металлическое тело, присоединенное к отрицательному полюсу источника напряжения. Оказалось, что отрицательно заряженное тело при освещении теряет свои заряд. Теряет ли его положительно заряженное тело? По этому вопросу спорили, так как результаты наблюдений не были однозначными. Экспериментировали с зарядами при высоких потенциалах. Опыты носили качественный характер.

Количественное изучение явления, приведшее к установлению определенных закономерностей, а затем к раскрытию его природы, было начато замечательным русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839-1896).

В работе "Актиноэлектрические исследования" Столетов писал: "Повторяя в начале 1888 года интересные опыты гг. Герца, Э. Видемана и Эберта, Гальвакса относительно действия лучей на электрические разряды высокого напряжения, я вздумал испытать, получится ли подобное действие при электричестве слабых потенциалов. Кроме прямого ответа на заданный вопрос, такое видоизменение опытов представляло, на мой взгляд, двоякий интерес: с одной стороны, оно позволило бы ярче выставить на вид загадочное действие лучей, не смешивая его с обыкновенным рассеиванием электрических зарядов (которое в случае слабых потенциалов бывает вообще ничтожно); с другой стороны, явилась бы возможность подвергнуть явление более точному измерительному изучению, чем это имело место в опытах названных ученых.

Моя попытка имела успех выше ожидания. Первые мои опыты начаты около 20 февраля 1888 года и продолжались непрерывно, насколько позволяли другие занятия, по 21 июня 1888 года. В течение этого времени мне удалось, полагаю, осветить некоторые любопытные вопросы относительно "актиноэлек-трических действий".

Основной опыт Столетова состоял в следующем. Два металлических диска диаметрами 22 см (один сплошной, другой - из металлической сетки) были установлены вертикально против дугового фонаря. Диски соединялись через источник напряжения и чувствительный томсоновский гальванометр (его внутреннее сопротивление было 5212 Ом). При освещении сплошного металлического диска, присоединенного к отрицательному полюсу батареи, возникал ток, причем гальванометр фиксировал его до напряжения 0,01 В.

"Слово "ток", - писал Столетов, - употреблено в своем общем смысле, не решая пока, какого рода процесс здесь происходит, - кондуктивный, электролитический или конвективный".

Электронная теория в то время еще не была построена, и физики различали три вида тока проводимости. Открытие электрона показало, что все токи проводимости суть конвекционные токи. А пока природа явления была не ясна, приходилось накапливать и классифицировать факты. Столетов в заключение своей работы формулирует следующие результаты:

"1. Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд. Смотря по тому, пополняется ли заряд и насколько быстро, это удаление заряда может сопровождаться заметным падением потенциала или нет.

2. Это действие лучей есть строго униполярное; положительный заряд лучами не уносится. 3. По всей вероятности, кажущееся заряжение нейтральных ел лучами объясняется той же причиной.

4. Разряжающим действием обладают, если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими лучами, лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечом спектре (λ ≈ 295 10^-6 мм). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие.

5. Для разряда лучами необходимо, чтобы лучи поглощалось поверхностью тела. Чем больше поглощение активных лучей, тем поверхность чувствительнее к их разряжающему действию.

6. Такой чувствительностью, без значительных различий, обладают все металлы, но особенно высока она у некоторых красящих веществ (анилиновых красок)...

7. Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между моментом освещения и моментом соответственного разряда не протекает заметного времени.

8. Разряжающее действие ceteris paribus пропорционально энергии активных лучей, падающих на разряженную поверхность.

9. Действие обнаруживается даже при ничтожных отрицательных плотностях заряда; величина его зависит от этой плотности; с возрастанием плотности до некоторого предела оно растет быстрее, чем плотность, а потом медленнее и медленнее.

10. Две пластинки разнородных в ряду Вольты металлов, помещенные в воздухе, представляют род гальванического элемента, как скоро электроотрицательная пластинка освещена активными лучами.

11. Каков бы ни был механизм актиноэлектрического разряда, мы вправе рассматривать его как некоторый ток электричества, причем воздух (сам ли по себе или благодаря присутствию в нем посторонних частиц) играет роль дурного проводника. Кажущееся сопротивление этому току не подчиняется закону Ома, но в определенных условиях имеет определенную величину.

12. Актиноэлектрическое действие усиливается с повышением температуры".

Из этих фактов Столетов делает вывод, намечающий верную перспективу. Он указывает на главное: для возникновения актиноэлектрического действия "нужна газовая среда, т. е. нужен простор и полная удобоподвижность частиц".

Интересно заключение рассматриваемой работы: "Как бы ни пришлось окончательно сформулировать объяснение актиноэлектрических разрядов, нельзя не признать некоторой своеобразной аналогии между этими явлениями и давно знакомыми, но до сих пор малопонятными разрядами гейслеровых и круксрвых трубок. Желая при моих первых опытах ориентироваться среди явлений, представляемых моим сетчатым конденсатором, я невольно говорил себе (понимая всю странность этих слов), что предо мною - гейслерова трубка, могущая действовать и без разрежения воздуха, трубка не с собственным, а с посторонним светом. Там и здесь явления электрические тесно связаны со световыми, там и здесь катод играет особенную роль и, по-видимому, распыляется. Изучение актиноэлектрических разрядов обещает пролить свет на процессы распространения электричества в газах вообще".

Так был сделан первый шаг.

В 1897 г. Дж. Дж. Томсон открыл электрон и начал серию экспериментов с целью доказать, что электрон является элементарной частицей вещества и обусловливает множество физических явлений. Явление фотоэффекта сыграло при этом одну из главных ролей. Томсон, по существу, продолжает исследование Столетова.

Рис. 13. Опыт с фотоэлектронами

Идея опыта с фотоэлектронами заключалась в следующем (рис. 13). Рассмотрим конденсатор Столетова в магнитном поле с индукцией . Томсон показал, что траекторией фотоэлектронов в перпендикулярном электрическом и магнитном полях будет циклоида с радиусом где Е_х - компоненты электрического поля, B_z - магнитного, m и е - масса и заряд электрона. Если расстояние между пластинами A и В будет больше то электроны не достигнут пластины В, и ток в цепи прекратится. Измерив расстояние между A и В, при котором магнитное поле начнет уменьшать ток, зная Е и В, можно определить удельный заряд фотоэлектрона.

Схема установки Томсона показана на рисунке 14. Здесь АВ - тщательно отшлифованная цинковая пластинка диаметром около 1 см, CD - решетка с квадратными ячейками площадью 1 мм² из тонкой проволоки, припаянная к проволочному кольцу, EF -кварцевая пластинка, толщиной 4 мм, L -стержень, проходящий через восковую пробку; к проводникам К и М подключалась батарея аккумуляторов и квадрантный электрометр.

Рис. 14. Схема установки Дж. Дж. Томсона

Магнитное поле создавалось дугообразным электромагнитом, через обмотку которого пропускался ток от 1 до 4,5 А.

Через отверстие N сосуд откачивался до давления порядка 10^-2 мм рт. ст. Опыты Томсона дали среднее значение е/m = 7,3·10⁶ СГСЕ_q.

Заряд электронов измерялся тем же методом, который был описан выше. Томсон получил для фотоэлектронов среднее значение е = 6,8·10^-10 ед. заряда СГСЕ (для газовых ионов было 6,5·10^-10 ед. заряда СГСЕ).

В 1902 г. немецкий физик Филипп Ленард использовал методику определения удельного заряда электрона с целью изучения энергии фотоэлектронов. Схема установки Ленарда изображена на рисунке 15.

Рис. 15. Опыт Ленарда

Стеклянная трубка с электродами откачивалась до высокого вакуума через патрубок L. Алюминиевая пластинка Л, которая освещалась через кварцевое окошко К ультрафиолетовым светом, служила источником фотоэлектронов. Диафрагма D выделяла узкий пучок электронов, падающий на электрод С. Между пластинкой А и диафрагмой D создавалось электрическое поле напряжением от 300 до 1000 В. Это поле разгоняло фотоэлектроны, вырванные из пластинки Л. За диафрагмой фотоэлектроны попадали в магнитное поле, индукция которого В перпендикулярна к плоскости чертежа. Магнитное поле заставляло электроны двигаться по окружности, и они при известном значении магнитной индукции В попадали на диск F, соединенный с электрометром. Максимальное отклонение электрометра Э означало, что почти все фотоэлектроны попадали на диск F. По положению диафрагмы и диска можно было определить радиус окружности r, описываемой электронами при В = Втax. По измеренным значениям Виr можно было определить отношение mv/e. С другой стороны, зная ускоряющее напряжение U, можно было написать по закону сохранения: mv²/2=eU, так как начальные скорости фотоэлектронов пренебрежимо малы, отсюда вычислялись величины е/m и v.

Зная массу и скорость, легко вычислить кинетическую энергию фотоэлектронов.

Исследования зависимости энергии фотоэлектронов от интенсивности и частоты падающего света привели к поразительному открытию. Оказалось, что энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света. При этом безразлично, меняется ли интенсивность благодаря изменению расстояния от источника или ее уменьшают поглощающие экраны.

Еще до опытов Ленарда был известен другой факт, необъяснимый с точки зрения привычных представлений: для каждого вещества существуют критические частоты излучения, ниже которых фотоэффект не возникает (красная граница фотоэффекта).

Единственно возможным объяснением механизма фотоэффекта, с точки зрения классических представлений о взаимодействии излучения с электронами, является резонанс: электрон вырывается из металла при совпадении частоты падающего излучения с частотой его собственных колебаний. Но если это так, то эмиссия фотоэлектронов должна была бы наблюдаться на отдельных частотах или в узких обособленных диапазонах, а не во всем спектре частот. Резонансный механизм не может, очевидно, объяснить зависимость энергии фотоэлектрона от частоты падающего излучения.

Объяснение законов фотоэффекта дал в 1905 г. Альберт Эйнштейн, исходя из принципиально нового представления о физических свойствах света. Эйнштейн возродил идею Ньютона о том, что свет обладает двойственностью свойств: в одних явлениях он ведет себя как волновой процесс, в других - как поток корпускул. При этом он использовал квантовую гипотезу Планка. Суть идеи Эйнштейна сводилась к следующему.

Если предположить, что луч света представляет собой поток своеобразных частиц, каждая из которых несет квант энергии hv, и при столкновении с атомом частица света может полностью передать свою энергию электрону, то согласно закону сохранения энергии

где А_вых - работа выхода электрона из облучаемого вещества. Написанное уравнение сразу же объясняло результат опытов Ленарда с фотоэлектронами.

Идея Эйнштейна была революционной. Физики уже свыклись с представлением о свете, как волновом процессе в эфире. Световые кванты никак не вписывались в эту картину непрерывных процессов. Ясно, что новое воззрение могло войти в физику только после обстоятельного экспериментального обоснования. Это было сделано Робертом Милликеном.

Милликен был одним из немногих физиков, быстро настроившихся на идею дискретности. Естественно, что гипотеза Эйнштейна была воспринята им с исчерпывающей глубиной, и он осветил все стороны проблемы ее экспериментального доказательства. Указав на предсказание Эйнштейна, что кинетическая энергия фотоэлектронов определяется уравнением

Милликен писал: "Когда было сделано это предсказание, оно было таким же смелым, как и гипотеза, на которой оно основывалось. Действительно, в то время вообще не было никаких экспериментальных данных, которые указывали бы на характер зависимости разности потенциалов U от частоты v, или на то, является ли гипотетическая величина в уравнении (1) чем-нибудь большим, чем числом, совпадающим по величине с постоянной Планка h. Тем не менее, по-видимому, последующие результаты экспериментов показали, что по крайней мере пять из поддающихся экспериментальной проверке положений, фактически содержащихся в уравнении (1), выполняются весьма точно. Эти положения можно сформулировать в виде следующих утверждений:

1. Для каждой возбуждающей частоты v, превышающей некоторую определенную критическую величину, существует поддающаяся точному измерению максимальная скорость имитируемых частиц.

2. Между U и v существует линейная зависимость.

3. Значение dU/dv (или наклон прямой U=f(v)) численно равно отношению h/e.

4. Для критической частоты v0, при которой U=0, работа P=hv₀, т. е. точка пересечения прямой U-f(v) с осью v, определяет самую низкую частоту, при которой исследуемый металл еще может испускать фотоэлектроны.

5. Контактная разность потенциалов между любыми двумя проводниками описывается уравнением U_k = (h/e) (v₀-v¹₀) (φ - φ¹₀).

Ни один из этих пунктов не был проверен даже приближенно к тому моменту, когда Эйнштейн выдвинул свою гипотезу, корректность которой еще недавно категорически отрицалась Рамзауером. Что касается пункта 4, то еще в 1891 г. Эльстер и Гейтель при изучении щелочных металлов действительно пришли к выводу, что, чем выше электроположительность металла, тем ниже частота v, при которой он становится фоточувствительным. Однако в течение долгого времени казалось, что этому утверждению противоречат результаты более поздних исследований на нещелочных металлах. В течение десяти лет, с тех пор как Эйнштейн предложил свое уравнение, пятое из перечисленных утверждений никогда не проверялось совсем, а третье и четвертое никогда не подвергались тщательной экспериментальной проверке в таких условиях, которые позволили бы дать точный и определенный ответ: впрочем такая проверка и не могла быть произведена без одновременных измерений в вакууме контактной разности потенциалов и фотопотенциалов, если исследуемые металлы были чувствительны ко всему широкому спектру доступных наблюдению частот".

Ситуация, очерченная Милликеном, действительно, сложная. Речь шла об эксперименте крупного калибра, требовавшем длительных усилий. Опыты завершились лишь в 1916 г. Достаточно беглого взгляда на схему одной из трубок, использованных Милликеном при изучении фотоэффекта (рис. 16), чтобы оценить сложность экспериментальной техники. Это, по выражению Милликена, "мастерская в вакууме".

Рис. 16. Прибор Милликена

Методические замечания. Явление фотоэффекта, кажущееся сейчас простым и наглядным, как видно, имеет сложную и в высшей степени поучительную историю. При использовании этого исторического экскурса может быть несколько акцентов. Самый важный - квантовый. Объяснение законов фотоэффекта с помощью гипотезы Планка было первым и самым убедительным доказательством плодотворности квантовой теории.

Если использовать экскурс с целью укрепить квантовые представления, то основное внимание следует уделить рассмотрению идеи Эйнштейна и ее экспериментального подтверждения Милликеном.

Этот экскурс может иметь мировоззренческий акцент. Тогда внимание должно быть обращено на механизм открытия. В этом случае нужно детальнее рассмотреть опыты Столетова и Ленарда.

Наконец, возможен утилитарный подход, когда внимание сосредоточивается на вопросе о преобразовании энергий электромагнитного излучения в энергию фотоэлектронов, тогда детальнее рассматривается постановка опытов Столетова, Ленарда и Милликена. Следует отметить, что опыты Столетова можно повторить с помощью стандартного школьного оборудования. Это - хорошая тема для школьного физического кружка.

Большой выбор юридических адресов в 36 ИФНС в аренду на сайте компании ВикЦентр