Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Открытие фотоэффекта
В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тщательно исследованного выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Явление это получило название фотоэффекта. Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света. Для обнаружения фотоэффекта можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной (рис. 20).
Рис.20
Если зарядить пластину положительно, то освещение 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 же 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 была интенсивность излучения. Поскольку известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить, что именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себе несложный факт нельзя объяснить на основе волновой теории света. Непонятно, почему световые волны малой частоты не могут вырывать электроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, велика сила, действующая на электроны. Законы фотоэффекта. Для того чтобы получить о фотоэффекте более полное представление, нужно выяснить, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) и чем определяется их скорость или кинетическая энергия. С этой целью были проведены экспериментальные исследования, которые состояли в следующем. В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, помещаются два электрода (рис. 21). Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через кварцевое «окошко», прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром. К освещаемому электроду присоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при Движении в электрическом поле образуют электрический ток. Рис.21 При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода. Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока нарастает. При некотором напряжении она достигает максимального значения, после чего перестает увеличиваться (рис. 22). Максимальное значение силы тока Iн называется током насыщения. Ток насыщения определяется числом электронов, испущенных за 1 с освещаемым электродом.
Рис.22
Изменяя в этом опыте интенсивность излучения, удалось установить, что количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. В этом ничего неожиданного нет: чем больше энергия светового пучка, тем эффективнее его действие. Теперь остановимся на измерении кинетической энергии (или скорости) электронов. Из графика, приведенного на рисунке 22, видно, что сила фототока отлична от нуля и при нулевом напряжении. Это означает, что часть вырванных светом электронов достигает правого (рис. 21) электрода и при отсутствии напряжения. Если изменить полярность батареи, то сила тока уменьшится и при некотором напряжении Uз обратной полярности она станет равной нулю. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод. Задерживающее напряжение Uз зависит от максимальной кинетической энергии, которую имеют вырванные светом электроны. Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической энергии, можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов. При изменении интенсивности света (плотности потока излучения) задерживающее напряжение, как показали опыты, не меняется. Это означает, что не меняется кинетическая энергия электронов. С точки зрения волновой теории света этот факт непонятен. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со стороны электромагнитного поля световой волны и тем большая энергия, казалось бы, должна передаваться электронам. На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты света. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности света. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты nmin то фотоэффект не происходит. Теория фотоэффекта. Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе законов электродинамики Максвелла, согласно которым свет — это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались безрезультатными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает электроны. Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями. Энергия Е каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте: Е=hn, где h — постоянная Планка. Из того, что свет, как показал Планк, излучается порциями, еще не вытекает прерывистая структура самого света. Ведь и дождь выпадает на землю каплями, но отсюда совсем не следует, что вода имеет прерывистую структуру и состоит из неделимых частей — капель. Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии Е = hn сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком. Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии. Энергия порции света /iv идет на совершение работы выхода А, т. е. работы, которую нужно совершить для извлечения электрона из металла, и на сообщение электрону кинетической энергии. Следовательно, Это уравнение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла. Скорость же электронов согласно приведенной формуле определяется только частотой света и работой выхода, зависящей от рода металла и состояния его поверхности. От интенсивности света она не зависит. Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота n света больше минимального значения nmin. Ведь чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы: hn > А. Предельную частоту nmin называют красной границей фотоэффекта. Она выражается так:
Работа выхода А зависит от рода вещества. Поэтому и предельная частота nmin фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна. Для цинка красной границе соответствует длина волны lmax =3,7×10-7 м (ультрафиолетовое излучение). Именно этим объясняется опыт по прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовые лучи. Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка. Поэтому в опыте обычно используется цинковая пластина. У щелочных металлов работа выхода, напротив, меньше, а длина волны lmax, соответствующая красной границе, больше. Так, для натрия lmax =6,8×10-7 м. Пользуясь уравнением Эйнштейна, можно найти постоянную Планка h. Для этого нужно экспериментально определить частоту света n, работу выхода А и измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Такого рода измерения и расчеты дают: h = 6,63×10-34 Дж×с. Точно такое же значение было найдено Планком при теоретическом изучении совершенно другого явления — теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полученных различными методами, подтверждает правильность предположения о прерывистом характере излучения и поглощения света веществом. Фотоны. При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц с энергией Е=h n, зависящей от частоты. Порция света оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято называть частицей. Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении, называют корпускулярными. Сама же световая частица получила название фотона или светового кванта. Фотон, подобно частицам, обладает определенной порцией энергии h n. Энергию фотона часто выражают не через частоту n, а через циклическую частоту w =2pn. При этом в качестве коэффициента пропорциональности вместо величины h используют величину h /2p, равную, по современным данным, Тогда энергия фотона выражается так: Согласно теории относительности энергия всегда связана с массой соотношением Е=тс2. Так как энергия фотона равна hn, то, следовательно, его масса т определяется так: Фотон не имеет массы покоя то, т. е. он не существует в состоянии покоя, и при рождении сразу приобретает скорость с. Масса, определяемая этой формулой, — это масса движущегося фотона. По известной массе и скорости фотона можно найти его импульс: Направлен импульс фотона по световому лучу. Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и тем отчетливее выражены корпускулярные свойства света. Из-за того, что постоянная Планка мала, энергия фотонов видимого света крайне незначительна. Фотоны, соответствующие зеленому свету, имеют энергию 4×10-19 Дж. Тем не менее в замечательных опытах С. И. Вавилова было установлено, что человеческий глаз, этот тончайший из «приборов», способен реагировать на различие освещенностей, измеряемое единичными квантами. Эффект Комптона. Наиболее отчетливо квантовые свойства электромагнитного излучения проявляются при рассеянии рентгеновских и гамма-лучей на свободных электронах (Рис.23). При этом наблюдается увеличение длины волны рассеянного излучения по сравнению с длиной волны падающего. Это явление было открыто в 1922 г. американским физиком А. Комптоном (1892—1962).
Рис.23. Схема опыта Комптона
Согласно классической теории электромагнитного поля рассеяние излучения на свободных электронах не должно сопровождаться изменением длины волны. Падающая волна частотой v вызывает вынужденные колебания электронов той же частоты. Колеблющиеся электроны излучают вторичные электромагнитные волны с частотой n. Это и есть рассеянное излучение. Его длина волны l должна равняться длине волны падающего излучения. Объяснить изменение длины волны при рассеянии (эффект Комптона) оказалось возможным только на основании представления о фотонах как частицах света, обладающих энергией Е=hn и импульсом:
Изменение длины волны можно найти, используя законы сохранения энергии и импульса при столкновении фотона с электроном. Сталкиваясь с электроном, фотон передает ему часть своей энергии. В результате энергия электрона увеличивается, а фотона уменьшается. Уменьшение энергии означает уменьшение частоты фотона, а значит, увеличение длины волны излучения. Согласно закону сохранения энергии где Е0 = mоc2 и Е — соответственно начальная (до столкновения) и конечная энергия электрона (mо — масса покоя электрона), n — частота рассеянного фотона. При столкновении фотона с электроном меняется не только энергия, но и импульс фотона по модулю и направлению. Часть импульса фотона передается электрону. На рисунке 24 изображены векторы импульса фотона до столкновения (р = hn / с)и после столкновения (р¢ = hn¢ / с). Рис.24 Электрон до столкновения считается покоящимся. После столкновения он приобретает импульс р е. Согласно закону сохранения импульса Из законов сохранения энергии и импульса можно определить изменение длины волны рассеянного излучения в зависимости от угла рассеяния q (рис. 24):
Здесь lк = h/m0c = 2,4×10-10 м. Постоянная величина называемая комптоновской длиной волны электрона. Опыты Комптона подтвердили справедливость этой формулы. Комптон наблюдал рассеяние рентгеновских лучей на парафине, графите и др. Энергия фотонов рентгеновских лучей велика по сравнению с энергией ионизации атомов этих веществ. Фотоны вырывают электроны из атомов, сообщая им большую энергию. Поэтому электроны можно считать свободными и покоящимися до столкновения. Из-за того, что приобретаемая электронами энергия велика, при выводе формулы Комптона надо пользоваться релятивистскими выражениями для энергии и импульса электрона. Если явление фотоэффекта доказало, что фотон обладает энергией Е=hn, то эффект Комптона послужил экспериментальным доказательством того, что фотон обладает импульсом В этом отношении фотон подобен всем другим элементарным частицам. Корпускулярно-волновой дуализм. Итак, ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потоке частиц. Может показаться, что это возврат к корпускулярной теории Ньютона. Однако нельзя забывать, что интерференция и дифракция света вполне определенно говорят о наличии у света волновых свойств. Свет обладает своеобразным дуализмом (двойственностью) свойств. При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) — корпускулярные. Все это, конечно, странно и непривычно. Мы не в состоянии представить себе наглядно, как же это может быть. Но тем не менее это факт. Мы лишены возможности представлять себе наглядно в полной мере процессы в микромире, так как они совершенно отличны от тех макроскопических явлений, которые люди наблюдали на протяжении миллионов лет и основные законы которых были сформулированы к концу XIX века. С течением времени двойственность свойств была открыта у электронов и других элементарных частиц. Электрон, в частности, наряду с корпускулярными свойствами обладает также и волновыми. Наблюдается дифракция электронов. Эти необычайные свойства микрообъектов описываются с помощью квантовой механики — современной теории движения микрочастиц. Механика Ньютона оказывается здесь неприменимой. Но изучение квантовой механики выходит за рамки школьного курса физики.
|