Атомная (прикладная) физика

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

• В 1899-1900 гг. Ленард и Томсон показали, что при фотоэффекте излучаются именно электроны – по отклонению траектории в полях. Ленард измерил энергии эмитированных электронов.

(Приводилась и описывалась ранее -- в разделе 1.6)

3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Экспериментально были выявлены вполне ясные закономерности. Рассмотрим их на примере «типового» эксперимента:

УФ излучение с регулируемыми лучистым потоком (Ф) и

частотой ( ) освещает металлический электрод – эмиттер (фотокатод).

Между ним и другим электродом (коллектором) можно прикладывать регулируемое напряжение и измерять протекающий ток.

Электроды расположены в вакууме (газ не препятствует движению электронов).

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

• При заданном световом потоке измеряют вид зависимости тока фотоэлемента I от приложенного напряжения U -- вольтамперную характеристику (ВАХ) фотоэлемента). →

• При всех напряжениях полярность тока одинакова и соответствует переносу электронов с эмиттера на коллектор.

• При положительном потенциале коллектора он собирает (почти)

все вышедшие в вакуум электроны. Увеличение напряжения не приводит к росту тока. Такой ток – ток насыщения Imax .

• При нулевом потенциале коллектора большая часть вышедших в вакуум электронов достигают его за счет полученной ими кинетической энергии.

5

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

• Чтобы ток прекратился, требуется приложить к коллектору некоторое отрицательное напряжение Ug . Его называют «потенциалом запирания».

• Очевидно, что величина потенциала запирания должна быть численно равна максимальной кинетической энергии электронов (измеренной

в эВ) Emax, которую они получили при выходе из эмиттера:

Emax = eUg

•Плавный ход ВАХ между –Ug и 0 свидетельствует о том, что выходящие в вакуум электроны имеют непрерывный спектр кинетических энергий между 0

и Emax.

6

К 1905 г. были экспериментально установлены следующие законы фотоэффекта:

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1. Закон Столетова (1888 г.)

При неизменном составе излучения фототок насыщения Imax прямо пропорционален лучистому потоку падающего на эмиттер излучения Ф.

(При однородном освещении – интенсивности излучения L. Хотя правильнее было бы говорить о параметрах поглощенного излучения)

•Само явление фотоэффекта может быть объяснено классической физикой: электроны получают дополнительную колебательную энергию от поля волны, достаточную для выхода из металла.

•Рост их тока с ростом интенсивности

излучения также кажется естественным. Однако, зависимость тока от интенсивности не обязательно должна быть линейной. Можно

привести аргументы в пользу,

например, пороговой или экспоненциальной зависимости.

ВАХ вакуумного фотоэлемента при

различной величине лучистого потока Ф

падающего монохроматического излучения 7

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

2. Наличие “красной границы” фотоэффекта (Столетов, 1888; Эльстер и Гайтель, 1889)

Для данного эмиттера фотоэффект наблюдается лишь при освещении его светом, длина волны которого меньше некоторой предельной величины 0 ( < 0 , или для частот > 0 ) .

(Понятие «красная» условно – для большинства металлов она лежит в УФ диапазоне)

•Действие излучения меньших частот сколь угодно большой интенсивности не приводит к высвобождению электронов.

•Такое свойство прямо противоречит выводам классической теории. Энергия электромагнитной волны определяется квадратом амплитуды поля и не зависит от частоты.

•При наличии у электронов в твердом теле собственных

частот колебаний можно было бы ожидать сложной, немонотонной зависимости фототока от частоты. Но и этого не наблюдалось – при > 0 ток плавно нарастает с ростом частоты излучения.

Типичный вид спектральной характеристики

фотокатода вблизи красной границы фотоэффекта →	8

3vk. Независимость.com/club152685050максимальной| vk.com/id446425943кинетической энергии электронов Emax от интенсивности излучения L (Ленард, 1902)

•Ленард ослаблял лучистый поток фильтрами в тысячу раз и констатировал, что потенциал запирания Ug остается неизменным – как показано на рисунке .

•С точки зрения классической физики,

энергия, передаваемая электронам

полем заданной частоты, должна быть пропорциональна квадрату его амплитуды (интенсивности).

•Можно объяснить присутствие в спектре

эмитированных электронов частиц с

малыми энергиями – они могут терять части энергии при выходе из глубоких слоев металла.

•Но самые быстрые из наблюдаемых

электронов – те, которые не потеряли

энергии. Почему при росте

интенсивности изучения не появляются	ВАХ вакуумного фотоэлемента при
более быстрые электроны –	различной величине лучистого потока Ф
классическая теория объяснить не	падающего монохроматического излучения
может.	9

3vkа..com/club152685050Линейное изменение| vk.com/id446425943максимальной кинетической энергии электронов Emax с ростом частоты излучения при неизменной его интенсивности излучения L

(Emax = a + b )

•Этот факт был установлен несколько позднее, уже после появления теории Эйнштейна.

•Закономерность можно проиллюстрировать рисунком →

•Ее несоответствие предсказаниям классической физики очевидно из предыдущего обсуждения.

ВАХ вакуумного фотоэлемента для различных частот падающего излучения при постоянной величине лучистого потока Ф

10

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4. Безынерционность фотоэффекта (Столетов, 1888; Эльстер и Гайтель, 1889)

•Столетов первым установил, что фототок появляется с задержкой менее миллисекунды после начала освещения. (В дальнейшем эта оценка была дополнительно уменьшена до значений менее 10-9 с).

•В рамках классической физики можно оценить величину энергии, получаемую в единицу времени при заданной интенсивности излучения пространственной областью, приходящуюся на один электрон в металле (~1 Å2), где концентрация электронов примерно равна концентрации атомов. Или на единицу объема, приходящуюся на электрон (~1 Å3), в предположении, что падающая мощность

поглощается в слое вещества порядка длины волны излучения. (Многие из

требующихся величин, например, число Авогадро, были еще не известны.)

•Получим грубую оценку мощности, получаемой электроном (в пренебрежении потерями и при 100% эффективности поглощения). Поделим на эту величину энергию, необходимую электрону для выхода из металла (несколько эВ).

•Получим оценку минимального времени, необходимого для появления фототока в классической модели.

•В зависимости от использованных значений, она составит от секунд до часов, что в любом случае противоречит данным эксперимента.

11

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Таким образом:

•В результате опытов по изучению фотоэффекта были установлены простые, понятные и воспроизводимые закономерности.

•Попытки объяснить законы фотоэффекта на базе классической физики остались безуспешными.

12