Original:http://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html
Майкл Фаулер
Университет Вирджинии
Герц находит волны Максвелла: и что-то еще
Наиболее драматичным предсказанием теории Максвелла электромагнетизма, опубликованной в 1865 году, было существование электромагнитных волн, движущихся со скоростью света, и вывод о том, что сам свет был именно такой волной. Это стимулировало экспериментаторов генерировать и обнаруживать электромагнитное излучение с помощью какой-либо электрической аппаратуры. Первая явно успешная попытка была сделана Генрихом Герцем в 1886 году. Он использовал высоковольтную индукционную катушку, чтобы вызвать искровой разряд между двумя кусками латуни, чтобы процитировать его: «Представьте цилиндрическое тело из латуни диаметром 3 см и длиной 26 см, Прерывается на полпути по длине искровым промежутком, полюса которого с обеих сторон образованы сферами радиусом 2 см ». Идея заключалась в том, что, как только искра образует проводящий путь между двумя латунными проводниками, заряд быстро осциллирует назад и вперед, излучая электромагнитное излучение с длиной волны, подобной размеру самих проводников.
Чтобы доказать, что действительно излучалось излучение, его нужно было обнаружить. Герц использовал кусок медной проволоки толщиной 1 мм, изогнутый в круг диаметром 7,5 см, с маленькой латунной сферой на одном конце, а другой конец проволоки был заострен, с точкой около сферы. Он добавил винтовой механизм, чтобы точка могла перемещаться очень близко к сфере контролируемым образом. Этот «приемник» был спроектирован таким образом, чтобы колебания тока в проводнике имели естественный период, близкий к периоду «передатчика», описанного выше. Наличие осциллирующего заряда в приемнике будет сигнализироваться искрами через (крошечный) промежуток между точкой и сферой (обычно этот зазор составлял сотые доли миллиметра). (Герцу было предложено, чтобы этот искровой промежуток мог быть заменен в качестве детектора соответствующим образом подготовленной ногой лягушки, но это, видимо, не сработало.)
Эксперимент был очень успешным – Герц смог обнаружить излучение на расстоянии до пятидесяти футов, и в серии оригинальных экспериментов было установлено, что излучение отражается и преломляется, как ожидалось, и что оно поляризовано. Главная проблема – лимитирующий фактор при обнаружении – была в состоянии увидеть крошечную искру в приемнике. Стремясь улучшить видимость искры, он натолкнулся на что-то очень таинственное. Цитирую снова от Герца (он назвал искру передатчика А, приемник В): «Я иногда заключал искру В в темный случай, чтобы легче было делать наблюдения, и при этом я заметил, что максимальная длина искры Стало значительно меньше в случае, чем это было до этого. При последовательном удалении различных частей корпуса было замечено, что единственная его часть, которая осуществляла этот предвзятый эффект, была той, которая экранировала искру В от искры А. Перегородка С той стороны этот эффект проявлялся не только в непосредственной близости от искры Б, но и тогда, когда он находился на большем расстоянии от В между А и В. Явление, столь замечательное, требовало более тщательного исследования »
Затем Герц предпринял очень тщательное расследование. Он обнаружил, что искра маленького приемника была более энергичной, если она подвергалась действию ультрафиолетового света от искры передатчика. Потребовалось много времени, чтобы понять это – сначала он проверил электромагнитный эффект, но обнаружил, что лист стекла эффективно защищает искру. Затем он обнаружил, что плита из кварца не защищает искру, после чего он использовал кварцевую призму, чтобы разбить свет от большой искры на ее компоненты и обнаружил, что длина волны, которая сделала маленькую искру более мощной, была за видимой, Ультрафиолет.
В 1887 году Герц заключил, что, должно быть, было месяцев расследования: «… я ограничусь в настоящее время сообщением полученных результатов, не пытаясь придумать какую-либо теорию относительно того, каким образом возникают наблюдаемые явления».
Упрощенный подход Hallwachs
В следующем году, 1888, другой немецкий физик Вильгельм Хэлвакс в Дрездене писал:
В недавней публикации Герц описал исследования зависимости максимальной длины индукционной искры от излучения, полученного им от другой индукционной искры. Он доказал, что наблюдаемое явление является действием ультрафиолетового света. Природа явления могла быть получена из-за сложных условий исследования, в котором она появилась. Я попытался получить связанные явления, которые произошли бы в более простых условиях, чтобы облегчить объяснение явлений. Исследуя действие электрического света на электрически заряженные тела ».
Затем он описывает свой очень простой эксперимент: чистая круглая пластинка с цинком была установлена на изоляционной подставке и прикреплена проволокой к золотниковому электроскопу, который затем заряжен отрицательно. Электроскоп очень медленно терял заряд. Однако, если цинковая пластина была подвергнута ультрафиолетовому излучению от дуговой лампы или от сжигания магния, заряд быстро просачивался. Если пластина была заряжена положительно, не было быстрой утечки заряда. (Мы показали это как лекционное демо, используя УФ-лампу в качестве источника.)
Вопросы для читателя: Может ли быть так, что ультрафиолетовый свет каким-то образом испортил изоляционные свойства подставки, на которой была цинковая пластина? Могло ли быть так, что электрические или магнитные эффекты от большого тока в дуговой лампе каким-то образом вызвали утечку заряда?
Хотя эксперимент Хэлвака, безусловно, прояснил ситуацию, он не предложил никакой теории того, что происходит.
J.J. Томсон определяет частицы
Фактически, ситуация оставалась неясной до 1899 года, когда Томсон установил, что ультрафиолетовый свет вызывал выделение электронов, те же частицы, что и в катодных лучах. Его метод заключался в том, чтобы приложить металлическую поверхность к воздействию излучения в вакуумной трубке, другими словами, чтобы сделать ее катодом в электронно-лучевой трубке. Новая особенность заключалась в том, что электроны должны были выбрасываться из катода излучением, а не сильным электрическим полем, которое использовалось ранее.
К этому времени была правдоподобная картина происходящего. Атомы в катоде содержали электроны, которые встряхивались и вызывались вибрировать под действием осциллирующего электрического поля падающего излучения. В конце концов некоторые из них будут расшатаны и будут выброшены с катода. Стоит внимательно рассмотреть, как ожидается, что количество и скорость испущенных электронов будут меняться в зависимости от интенсивности и цвета падающего излучения. Увеличение интенсивности излучения будет сильнее встряхивать электроны, поэтому можно было бы ожидать, что больше будет излучаться, и в среднем они будут стрелять с большей скоростью. Увеличение частоты излучения ускорило бы электроны, поэтому электроны могли бы выходить быстрее. Для очень тусклого света электрон мог бы работать до достаточной амплитуды вибрации, чтобы расшататься.
Ленард находит некоторые сюрпризы
В 1902 г. Ленард изучал, как энергия излучаемых фотоэлектронов изменяется с интенсивностью света. Он использовал угольную дугу и мог увеличивать интенсивность в тысячу раз. Выброшенные электроны врезались в другую металлическую пластину, коллектор, который был подключен к катоду проволокой с чувствительным амперметром, для измерения тока, создаваемого освещением. Для измерения энергии выброшенных электронов Ленард отрицательно зарядил коллекторную пластину, чтобы отразить идущие к ней электроны. Таким образом, только электроны, выброшенные с достаточной кинетической энергией, чтобы подняться на этот потенциальный холм, будут способствовать току. Ленард обнаружил, что существует определенное минимальное напряжение, которое останавливает любые проходы электронов, мы назовем его Vstop. К его удивлению, он обнаружил, что Vstop совсем не зависит от интенсивности света! Удвоение интенсивности света удваивало количество испущенных электронов, но не влияло на энергии испущенных электронов. Более мощное осциллирующее поле выбрасывало больше электронов, но максимальная индивидуальная энергия выбрасываемых электронов была такой же, как для более слабого поля.
Но Ленард сделал что-то еще. С его очень мощной дуговой лампой была достаточная интенсивность, чтобы отделить цвета и проверить фотоэлектрический эффект, используя свет разных цветов. Он обнаружил, что максимальная энергия выбрасываемых электронов зависит от цвета: более короткая длина волны, более высокий свет света вызывают выброс электронов с большей энергией. Это было, однако, довольно качественным заключением – измерения энергии были не очень воспроизводимыми, поскольку они были чрезвычайно чувствительны к состоянию поверхности, в частности, к состоянию частичного окисления. В лучшие имеющиеся в то время вакуумы значительное окисление свежей поверхности происходило за десятки минут. (Детали поверхности имеют решающее значение, поскольку самые быстрые электроны испускаются из правого у поверхности и их связывание с твердым телом сильно зависит от природы поверхности – это чистый металл или смесь атомов металла и кислорода ?)
Вопрос: На приведенном выше рисунке аккумулятор представляет собой потенциальную Lenard, используемую для отрицательной зарядки пластины коллектора, которая фактически будет источником переменного напряжения. Так как электроны, выбрасываемые голубым светом, попадают на пластину коллектора, очевидно, что потенциал, создаваемый батареей, меньше, чем Vstop для синего света. Покажите со стрелкой на проводе направление электрического тока в проводе.
Эйнштейн предлагает объяснение
В 1905 году Эйнштейн дал очень простую интерпретацию результатов Ленарда. Он просто предположил, что входящее излучение следует рассматривать как кванты частоты hf, где f – частота. В фотоэмиссии один такой квант поглощается одним электроном. Если электрон находится на некотором расстоянии в материале катода, некоторая энергия будет теряться при движении к поверхности. Всегда будут какие-то электростатические затраты, когда электрон покинет поверхность, это обычно называют работой выхода W. Наиболее энергичные электроны, испускаемые, будут те, которые находятся очень близко к поверхности, и они оставят катод с кинетической энергией.
Также ясно, что для данного металла существует минимальная частота света, для которой квант энергии равен работе выхода. Свет ниже этой частоты, независимо от того, насколько яркий, не будет вызывать фотоэмиссию.
Милликен пытается опровергнуть теорию Эйнштейна
Если мы примем теорию Эйнштейна, то это совершенно другой способ измерения постоянной Планка. Американский физик-экспериментатор Роберт Милликен, который не принимал теорию Эйнштейна, которую он считал атакой на волновую теорию света, работал в течение десяти лет, до 1916 года, на фотоэлектрическом эффекте. Он даже разработал методы очистки поверхности металла внутри вакуумной трубки. При всех своих усилиях он нашел неутешительные результаты: он подтвердил теорию Эйнштейна, измерив постоянную Планка в пределах 0,5% этим методом. Одно утешение в том, что он получил Нобелевскую премию за эту серию экспериментов.
использованная литература
‘Subtle is the Lord…’ The Science and Life of Albert Einstein, Abraham Pais, Oxford 1982.
Inward Bound, Abraham Pais, Oxford, 1986The Project Physics Course, Text, Holt, Rinehart, Winston, 1970