Фотоефект

Фотоелектричним ефектом, або фотоефектом, називають процес випускання електронів речовиною під дією світла. Фотоефект був відкритий в 1887 р Генріхом Герцем. Явище фотоефекту можна спостерігати на досвіді (рис. 107). Зарядимо цинкову пластину, приєднану до електрометрії негативно.

При висвітленні пластини ультрафіолетовим світлом, наприклад від електричної дуги, електрометрії буде дуже швидко розряджатися. Якщо ж повідомити пластині позитивний заряд і потім освітити ультрафіолетовим світлом, то електрометрії не розрядиться.
Єдина можлива гіпотеза, що пояснює дане явище, полягає в тому, що з поверхні цинкової пластини можуть вилітати негативно заряджені частинки – електрони. До фотоефекту застосовно все, що ми говорили про катодних променях. Потік електронів, що випускається катодом, може виникати або посилюватися під дією світла. Поверхня, з якою під дією світла можуть випускатися електрони, називають фотокатодом.
Експериментальними дослідженнями фотоефекту займався російський фізик Олександр Григорович Столєтов (1839-1896). Він встановив, що при одному і тому ж спектральному складі, т. Е. При однакових довжинах хвиль падаючого на фотокатод світла, потік вибиваються електронів пропорційний інтенсивності опромінення. У цьому не було нічого несподіваного з точки зору класичної хвильової теорії світла. Зрозуміло, що хвилі світла приносять з собою енергію, яка, передаючись електронам, збільшує їх кінетичну енергію, т. Е. Швидкість, внаслідок чого вони вилітають з фотокатода.
Проте надалі виявилися факти, які хвильова теорія пояснити не могла. З’ясувалося, що інтенсивність опромінення впливає тільки на кількість електронів, що залишають фотокатод за одиницю часу, але не робить впливу на їх енергію. Енергія вибиваються електронів залежить тільки від частоти падаючого світла. Ви вже знаєте, що частота коливань світлової хвилі визначає відчуття певного кольору. Світло з найменшою частотою сприймається як червоний, з найбільшою – як синьо-фіолетовий. Ще більшою частотою володіє невидиме для людини ультрафіолетове випромінювання.

Виявилося, що саме це випромінювання призводить до випускання електронів з найвищою енергією. З видимій частині спектру найефективнішим виявляється синій колір, а далі енергія, з якою вилітають електрони, знижується в міру зниження частоти коливань світла. Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, т. Е. Найменша частота облучающего світла, при якій ще спостерігається ефект.
Фотоелектричний ефект використовують в самих різних технічних пристосуваннях. Досить згадати двері магазинів та інших установ, які відкриваються при наближенні до них людини. Їх пристрій пояснюється досить просто. Перед входом встановлено джерело часто вже не видимого для людини випромінювання, промінь якого падає на спеціальний пристрій, викликаючи в ньому фотоелектричний ефект. Коли на шляху променя виявляється перешкоду, ток в датчику припиняється, і це служить сигналом до включення механізму, який відкриває двері.
Однак значення фотоефекту в розумінні устрою світу виявилося набагато важливіше, ніж всі його практичні застосування. У 1905 р Альберт Ейнштейн (1879-1955) (рис. 108), вже знайомий з роботою Планка, присвяченій інфрачервоного випромінювання, висунув гіпотезу, що світло складається з частинок, енергія кожної з яких пропорційна частоті коливань цього світла. Ці частинки згодом були названі фотонами. Енергія фотона, таким чином, дорівнює енергії кванта, яка визначається відповідно до формули Планка. Таким чином, Ейнштейн поширив висновок Планка, що стосується інфрачервоного випромінювання, на всю область електромагнітних хвиль. Гіпотеза Ейнштейна добре пояснювала закони фотоефекту: якщо кожен фотон в результаті зіткнення вибиває один електрон, то чим більше буде інтенсивність світла, т. Е. Чим більше фотонів, тим більше буде вибито електронів, а енергія кожного вибитого електрона буде залежати від енергії фотона – від частоти світлової хвилі.
Таку залежність легко собі уявити, якщо уявити кегельбан, де в ряд побудована велика кількість кеглів. Припустимо, що кожен кинутий куля може вибити тільки одну кеглю. Тому чим більше буде кинуто куль, тим більше буде збито кеглів. Але якщо всі кулі будуть летіти з невеликою швидкістю, то і збиті ними кеглі відлетять недалеко. Якщо ж ми пустимо зовсім небагато куль, але з дуже великою швидкістю, то зіб’ємо мало кеглів, але зате вони відлетять на набагато більшу відстань.
Таким чином, вийшло, що світло являє потік фотонів, т. Е. Існують частинки світла. Але це повертає нас до, здавалося б, уже відкинутої нової теорії, палким прихильником якої був Ньютон. Як же бути з загальновідомими і незаперечно доведеними хвильовими властивостями світла? Цього ніхто не міг зрозуміти, і серед фізиків зав’язалася жвава дискусія. Багато хто вважав, що виявлене протиріччя є тимчасовим і незабаром буде дозволено на користь класичних теорій фізики. Сам Ейнштейн, виступаючи в 1911 р на науковому конгресі, говорив:
«Ми всі згодні з тим, що теорія квантів у своєму нинішньому вигляді може мати корисне застосування, але насправді вона не являє собою справжньою теорії в звичайному розумінні цього слова, у всякому разі, такої теорії, яку можна було б послідовно розвивати далі» .
Однак поступово квантова теорія, пробиваючись через всілякі здивування, завойовувала все більшу популярність. Сам Планк повністю повірив у неї тільки після того, як вона вже мала повсюдний успіх. А Нобелівську премію вчений отримав лише в 1923 р, т. Е. Через двадцять три роки після першої публікації, присвяченій квантам. Цікаво, що, коли Планк був студентом, він сказав викладачеві про свій намір займатися теоретичною фізикою. Професор намагався відмовити його, доводячи, що в теоретичній фізиці вже все зроблено і вона не може представляти інтересу для серйозного дослідника.
Перевірте свої знання
1. Що таке фотоелектричний ефект?
2. Як залежить енергія вибитих електронів від частоти облучающего світла?
3. Що таке червона межа фотоефекту?
4. Що таке фотон?

Посилання на основну публікацію