Нова думка

Досліди Столєтова стали класичними експериментами не тільки в рамках квантової фізики, а й всієї фізики взагалі. Дійсно, на їх основі можна показати, як повинен діяти чистий експериментатор, який бажає всебічно досліджувати явище і, наскільки це можливо, дати йому опис в кількісних категоріях. У XX столітті таке пряме дослідження явищ стало важко здійсненним: для проведення та інтерпретації результатів експерименту необхідно задатися однією або декількома теоріями, які претендують на опис даного явища.

В кінці XIX століття хоч скільки-небудь ґрунтовної теорії фотоефекту не існувало; навіть експериментальні дані по ньому були уривчастими і в основному якісними (див. Попереднє питання). Тому Олександру Григоровичу Столєтова (1839-1896) тільки й залишалося вивчати його властивості безпосередньо, не маючи на увазі будь-яку теорію такого. Схема експериментів Столєтова 1888-1890 років зображена на малюнку нижче.

З герметичної камери B частково або повністю відкачувався повітря. Усередині цієї камери розташовувалося два електроди: цілісний металевий катод К і виконаний у вигляді металевої сітки анод А. Світло від дугової лампи проникав в камеру через кварцове віконце О (скло практично не пропускає ультрафіолет) і завдяки влаштуванню анода вільно падав на металеву поверхню катода. Між катодом і анодом створювалося досить висока напруга (до 250 вольт), а струм в анодному ланцюзі вимірювався за допомогою чутливого гальванометра Г (точність порядку A). Столетов виявив, що при падінні світла на катод в ланцюзі починає текти фототок, який зникає при закриванні кварцового віконця. Наявність фототока спостерігалося і при наявності повітря, і при його відсутності - тому ефект ніяк не пов'язаний з іонізацією повітря електромагнітним випромінюванням. Про відсутність зв'язку з цим також говорить зарядова несиметричність ефекту: при підключенні до анода негативного напруги щодо катода струм не починав йти і при висвітленні останнього (насправді, нікчемний ток тек, але це відбувалося через часткового поглинання світла сітчастим анодом). З досвіду слід, що джерелом носіїв заряду фотоструму є не повітря, а освітлюваний катод, причому заряд цих носіїв негативний.

Таким чином, якісна сторона явища була досліджена. Далі Столетов приступив до з'ясування кількісних характеристик фотоефекту, висвітлюючи катод монохроматическим світлом різної інтенсивності і довжини хвилі , А також змінюючи напругу батареї . Варіювалося також тиск повітря в камері, відстань між електродами і до дугової лампи, матеріал віконця і метали, з яких виконані катод і анод. На основі численних дослідів зі спостереження зовнішнього фотоефекту Столєтов сформулював три емпіричних закону:

1. Фотострум, що виникає при освітленні негативного електрода світлом фіксованої довжини хвилі, пропорційний інтенсивності світла і площі електрода.
2. Максимальна кінетична енергія носіїв фотоструму лінійно залежить від частоти світла і не залежить від його інтенсивності.
3. Фотоефект має місце, якщо частота падаючого світла більше деякої граничної частоти , Що залежить тільки від матеріалу катода.Данная порогова частота називається червоною кордоном фотоефекту.

Столетов виявив, що у більш електронегативний металів (мідь, золото) фотоефект менш проявлений, ніж у менш електронегативний (алюміній, цинк). Крім того, він виявив, що фоточутливість різко падає при намочуванні катода звичайною водою - незважаючи на те, що вона добре пропускає ультрафіолет. Щоб не брати в розрахунок зміни показань гальванометра при непомітних оку зміни світіння електричної дуги, використовувався контрольний прилад - точно така ж камера, але з не змінними протягом досвіду параметрами. Параметри першого приладу (напруга між електродами, матеріал катода і т.д.) змінювалися - але перед записом нової серії даних Столетов удостоверівался в незмінності параметрів дуги за допомогою контрольної камери.

Досліди Столєтова з'явилися без перебільшення всебічним дослідженням фотоефекту. По суті справи, експериментальна сторона питання була практично вичерпана. Залишалося побудувати теорію даного ефекту, що і зробив Альберт Ейнштейн (1879-1955) в 1908 році. Він узагальнив введене Максом Планком квантування енергії атомного осцилятора порціями по на електромагнітне поле. Це був досить сміливий крок: Планк лише обережно постулював, що енергія передається порціями, при цьому, можливо, ця порционность пов'язана з невідомої науці структурою атома. Для його теорії теплового випромінювання квантування самого електромагнітного поля було необов'язковим. Дійсно, припущення дискретності поля - явно безперервної субстанції з уже вивченими Максвеллом і Герцем властивостями - було б вкрай несподіваним.

Ейнштейн ж, надавши результатами Планка фундаментальний характер і знаючи, що електромагнітне поле є сукупність нескінченного числа гармонійних осциляторів, вирішив узагальнити принцип квантування на нього: кожен електромагнітний осцилятор з частотою збуджується порціями по . Таким чином, електромагнітна хвиля з частотою може поглинатися тільки порціями, кратними . Звідси виникло поняття фотона - кванта електромагнітного поля. До розробки несуперечливого квантового опису цих частинок і складається з них поля повинно було пройти ще не одне десятиліття - але саме Ейнштейн заклав перший камінь в майбутню квантову теорію поля. Завдяки Максу Планку, зрозуміло.

У теорії Ейнштейна фотоефект в монохроматичному світлі частоти описується як поглинання одного фотона з енергією електроном провідності всередині металевого зразка. Сам по собі електрон не може вилетіти з металевого кристала: як тільки він постарається це зробити, на його «законному» місці виникне нескомпенсований позитивний заряд (дірка), тяжіння якого поверне електрон в кристал. Тому Ейнштейн припустив, що для вильоту електрона з шару провідності на поверхню кристала йому необхідно передати енергію (роботу) виходу . В цьому випадку із закону збереження ми отримуємо:

тобто енергія поглиненого фотона пішла на подолання повертає потенціалу кристала і енергію віддачі електрона . Електрони вилітають з електрода зі швидкістю і летять до анода, якщо до останнього підведено позитивне напруга. Природно, чим більше фотонів падає на катод в одиницю часу, тим більше вибивається електронів - тим більше величина фотоструму. Це пояснює перший закон фотоефекту Столєтова. Другий закон також виражений формулою Ейнштейна. Нарешті, при енергії фотонів не вистачає, щоб вибити з металу електрон - тому взаємодія світла з електронами стає пружним, і фотоефект зникає. Це пояснення червоною кордону фотоефекту, про яку говорить третій закон Столєтова.

Незважаючи на елегантність і простоту пояснення Ейнштейна, воно не може відповісти на наступні питання:

1. Яка частка фотонів поглинається електронами катода, а не відбивається від нього і не йде в його теплову енергію. Як ця частка залежить від частоти світла?
2. В якому напрямку щодо кристала вилітають електрони при різному куті падіння світла?
3. Чим може бути обумовлена ​​величина роботи виходу (наприклад, як вона залежить від температури?)
4. Як реально відбувається взаємодія між фотоном, електроном і кристалом? Якщо електрон вилітає з кристала миттєво, то якими законами (рівняннями) описується миттєва передача йому світлової енергії?

Щоб відповісти на ці питання, необхідно було збудувати теорію, що описує кристалічну решітку, атоми - але хоча б взаємодію електронів в потенційній ямі з фотонами. Потенційну яму створює поле кристала, що не дає електрону вільно вилетіти з нього. На вирішення цієї проблеми пішло близько 20 років, в результаті на арені фізики з'явилася квантова механіка, що з'єднує принципи ньютонівської механіки і хвильової оптики.

<< До попереднього експерименту | квантова теорія | До наступного експерименту >>