Но уже через год русский физик Александр Столетов (1839-1896) тщательно исследовал это явление и не только объяснил его, но и сформулировал основные законы фотоэффекта. Поэтому внешний фотоэффект мы называем эффектом Столетова.
В своих знаменитых экспериментах Александр Григорьевич использовал фотоэлемент собственной конструкции – так называемый конденсатор Столетова.
К электродам К (катод) и А (анод) прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять. Катод (отрицательный электрод) через кварцевое окошко освещался ультрафиолетовым светом определённой длины волны λ. При неизменном световом потоке снималась зависимость фототока I от приложенного напряжения U.
Здесь IН1 и IН2 – токи насыщения, UЗ – запирающий потенциал. На кривой 2 интенсивность светового потока, падающего на катод, заметно выше, чем на кривой 1.
Результаты опытов Столетов изложил в своих лаконичных тезисах. Их всего 12, но мы здесь выделим только 6 основных:
1. «Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд. Это действие лучей строго униполярное; положительный заряд лучами не уносится».
Чтобы понять физический смысл первого тезиса, обратимся к статье Природа электрического заряда, согласно которой объёмная плотность потенциальной энергии поля (проще – давление поля) у катода (отрицательный заряд) больше, чем у анода (положительный заряд), а приходящий к катоду луч света от вольтовой дуги ещё больше повышает давление или объёмную плотность энергии поля вокруг него.
Существование светового давления предсказал Максвелл (1831-1879) на основании свойств электромагнитного поля, а экспериментально давление света было установлено в 1899 году Лебедевым (1866-1912).
Следовательно, разность давлений в поле между катодом и анодом увеличивается и в результате происходит переток энергии от катода к аноду. В колбе появляется электрический ток или, как пишет Александр Григорьевич «перенос заряда с поверхности отрицательно заряженного тела на положительно заряженное».
Если же мы будем облучать не катод, а анод, то рост объёмной энергии поля вокруг него приведёт к уменьшению разности давлений в поле между катодом и анодом. В этом случае электрический ток в колбе не возможен, что и отмечено в первом тезисе Столетова.
2. Второй тезис у Столетова звучит следующим образом: «Для разряда лучами необходимо, чтобы лучи поглощались поверхностью тела. Чем больше поглощение активных лучей, тем поверхность чувствительнее к их разряжающему действию».
Этот тезис является первым Законом фотоэффекта: сила фототока прямо пропорциональна интенсивности падающего света (по терминологии Столетова – «энергии активных лучей»).
В том же 1898 году Томсон (1856-1940) экспериментально установил, что выходящий из металла фототок, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами). Поэтому увеличение фототока с ростом интенсивности падающего на катод светового потока принято понимать как увеличение числа выбитых с катода электронов.
Ясно, что электрон не может просто поглотить фотон без каких-либо последствий, ибо при этом должны быть соблюдены законы сохранения энергии и импульса.
Здесь Столетов рассуждал примерно так: чтобы забросить мяч на крышу дома, надо придать ему такую энергию, чтобы он мог преодолеть в своём движении не только сопротивление воздуха, но и тяготение гравитационного поля.
По этой аналогии можно сделать вывод, что кинетическая энергия поглощённого фотона (hω) во внешнем фотоэффекте расходуется не только на работу выхода (А) для преодоления сопротивления окружающей среды, но и на придание кинетической энергии излучённой полуволне (электрону - eU) для преодоления напряжённости электрического поля.
Эта аналогия следует из физического смысла фотоэффекта в редакции Столетова. Но любой физический смысл можно записать в математических символах. Так появилось уравнение:
hω = А + eU,
где: h = 1,0545727*10-34 Дж*с – постоянная Планка (квант момента импульса);
ω – частота приходящего излучения, 1/с;
е = 1,6021773*10-19 Кл – квант электрического заряда;
еU = mv2/2 – кинетическая энергия излучённой полуволны, называемой нами электроном, Дж.
Это уравнение теперь называется уравнением Эйнштейна, за что он и получил Нобелевскую премию, ибо шведы так и не поняли, что по задумке нашего «гения» в левой части этого уравнения обозначена энергия ОДНОГО фотона, а в правой – работа выхода и кинетическая энергия тоже ОДНОГО, но уже электрона.
То есть, шведы и многие физико-математики с подачи нашего «гения» наивно считают, что один фотон выбивает только один электрон. А у физиков количественной характеристикой фотоэлектронной эмиссии является число вылетевших электронов (Y), приходящееся на 1 фотон излучения, падающего на поверхность тела. И эта величина зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энергии фотонов.
С «гением» и шведами с их нобелевкой понятно, но ведь и наши академики будто забыли, что Столетов указывал вовсе не на равенство вылетевших электронов с числом поглощенных фотонов, а только на пропорциональность количества вылетающих электронов от интенсивности падающего света.
3. В своём третьем тезисе Столетов добавляет: «С возрастанием плотности заряда (читай – напряжённости электрического поля) до некоторого предела разряжающее действие растет быстрее, чем плотность, а потом медленнее и медленнее».
И действительно из рисунка 2 видно, что дальнейшее повышение разности потенциалов выше предельного не вызывает никакого увеличения фототока. Этот максимальный ток мы называем током насыщения.
4. Четвёртый тезис Столетов сформулировал так: «Разряжающим действием обладают – если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими – лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре (λ<295×10-6 мм). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие».
Заметьте, если во втором тезисе мы говорим об интенсивности светового потока, то есть о количестве фотонов, то здесь мы уже говорим об энергии этих фотонов (точнее – о частоте их колебаний или о длине волны).
Это значит, что не всякое электромагнитное излучение, падающее на катод, может вызвать фототок. Это возможно только для излучения с длиной волны, меньше некоторой заданной величины, что фактически означало существование красной границы фотоэффекта.
Здесь напрашивается явный вывод, что фотоэффект наступает при резонансе частот падающего на катод светового потока и собственных колебаний выбиваемых из катода электронов.
Но, если это так, то логика далее подсказывала, что энергия каждого фотоэлектрона должна зависеть только от энергии поглощенных фотонов, то есть – от частоты их колебаний или от длины волны. Александр Григорьевич и это подтвердил экспериментально, установив, что падающая электромагнитная волна ультрафиолетового света вызывает вынужденные колебания электронов в металле в резонансе с частотой падающей волны.
Дополнительные исследования фотоэффекта Ленардом (1862-1947) в 1900-1902 годах показали, что, энергия (значит и частота) вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.
5. Пятый тезис в формулировке Столетова указывает на то, что «Действие обнаруживается даже при ничтожных отрицательных плотностях заряда; величина его зависит от этой плотности; с возрастанием отрицательной плотности до некоторого предела оно прекращается».
Этот тезис убедительно подтверждает наличие «запирающего потенциала». Из приведенной на рисунке 2 зависимости электрического тока (I) от величины напряжения (U) вытекает, что при U = 0 ток не является равным нулю, ибо для нулевого значения тока, нужно подать некоторое напряжение с обратной полярностью (к освещённому электроду приложить положительное значение, к неосвещённому – отрицательное).
Это напряжение называется запирающим (UЗ). Тщательные измерения показали, что запирающее напряжение линейно возрастает с увеличением частоты (ω) падающих фотонов.
Зависимость запирающего напряжения Uз от частоты ω падающего света.
Кстати, об этой зависимоcти вспомнил Джозефсон в 1963 году, когда вывел свою постоянную (отношение Джозефсона):
е/h = f/U = 1,5193*1015 Гц/В,
из которой ясно видно, что частота колебаний (f, Гц) электрических зарядов в проводнике зависит только от разности электрических потенциалов (прямо пропорционально).
Дополнение: Джозефсон окончил Тринити-колледж (по советским временам – это техникум) и получил в этом же колледже учёные степени магистра и доктора философии. Начиная с 1962 года он изучает свойства сверхпроводимости и в 1963 году экспериментально наблюдает явление прохождения электронов через тонкий слой диэлектрика, которое описывает, как отношение заряда электрона к постоянной Планка.
Однако Джозефсон только предположил, что частота электрического тока зависит от величины приложенного напряжения. Но впоследствии выяснилось, что умножив данную постоянную на реальную разность потенциалов, мы находим частоту, с которой каждый элементарный электрический заряд (точнее - полуволна) совершают свои колебания на данном участке электрической цепи.
Физический смысл фотоэффекта, который известен как закон Столетова, в настоящее время описывается так:
«Кинетическая энергия (частота), с какой излучённая полуволна (электрон) покидает металл, заимствуется у падающей волны (фотона), а количество вылетающих электронов пропорционально интенсивности падающего света, то есть числу поглощенных фотонов».
6. И наконец, не менее важным является зависимость фототока от давления газа между электродами, которую Столетов досконально изучил и установил, что отношение напряжённости электрического поля к давлению газа при максимальном токе (токе насыщения) есть величина постоянная (константа Столетова).
Это важнейшее открытие Столетова подтверждает тот факт, что давление газа (точнее – объёмная плотность энергии в разделяющей электроды среде) является дополнительным препятствием для фототока, который появляется при определённой разности давлений поля между катодом и анодом.
Мы помним, что электрический заряд (Кл) определяет объёмную плотность энергии поля в зоне этого заряда. Следовательно, разность потенциалов (Дж/Кл) между электродами определяет разность давления поля в этой области. И опытом установлено: на объёмную плотность энергии поля накладывается и объёмная плотность энергии газа, разделяющего катод и анод. Этот факт для математиков остался «за скобками».
И только теперь мы знаем, что объёмная плотность энергии (давление) в любой материальной среде является очень существенным параметром в Физике и объясняет очень многие явления в Природе. Это и Природа гравитации, и Природа электрического заряда, и многое другое…
- Код ссылки на тему, для размещения на персональном сайте | Показать
