Фотоэффект, или эффект фотоэлектрического излучения, был одним из ключевых экспериментов, которые привели к развитию квантовой теории. Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году за свое объяснение этого явления, опубликованное в его статье 1905 года "О эвристической точке зрения на образование и преобразование света" (да, именно за фотоэффект, а не за теорию относительности, как многие думают).
Суть эффекта состоит в выбивании электронов из материала (обычно металла) под воздействием света. Ранее считалось, что интенсивность света должна влиять на энергию выбиваемых электронов. Однако эксперименты показали, что энергия выбиваемых электронов зависит не от интенсивности света, а от его частоты (цвета).
Волновая и корпускулярная трактовка
До работ Эйнштейна считалось, что свет является волной, и что более яркий свет (большая интенсивность) должен приводить к выбиванию электронов с большей энергией. Но эксперименты советского ученого Александра Григорьевича Столетова показали, что энергия электронов зависит исключительно от частоты света, а не от его интенсивности. Также существовала проблема "пороговой частоты": свет ниже определенной частоты вообще не мог выбивать электроны, независимо от его интенсивности. Данный эффект не мог быть объяснен на языке волновой оптики.
Альберт Эйнштейн предположил, что свет ведет себя как поток частиц, названных позже фотонами. Основные положения его теории таковы:
- Квантование энергии: Свет состоит из частиц света (квантов), или фотонов, энергия которых пропорциональна частоте света: E=hν, где h — постоянная Планка, а ν — частота света.
- Фотоэлектронная эмиссия: Фотон, ударяясь о поверхность металла, передает всю свою энергию одному электрону. Для выбивания электрона из материала требуется некоторая минимальная энергия, называемая работой выхода Ek.
- Свободная энергия: Энергия, переданная фотоном, используется для преодоления работы выхода, а оставшаяся энергия преобразуется в кинетическую энергию выбитого электрона W=hν−Ek.
Постановка эксперимента
Для проведения эксперимента по наблюдению фотоэффекта используется конденсатор, который состоит из двух обкладок и диэлектрика между ними. Чтобы создать вакуум, вся экспериментальная установка помещается в откачивающую колбу.
Основной целью эксперимента является измерение вольт-амперной характеристики (ВАХ) и анализ ее изменений при воздействии света на конденсатор. В процессе эксперимента, при разрыве цепи, ВАХ будет нулевой. Однако, при облучении конденсатора светом, в цепи будет возникать ток, даже если подаваемое внешнее напряжение на цепь будет нулевым. Это явление объясняется тем, что электроны, взаимодействуя со светом, приобретают кинетическую энергию, которой хватает для замыкания цепи с помощью выбиваемых светом электронов. Таким образом, в результате фотоэффекта, энергия фотона передается электрону, который приобретает энергию, достаточную для выхода из материала. Однако, со временем значение тока перестает возрастать, так как он определяется количеством рожденных электронов в ходе взаимодействия со светом. Таким образом, достигается предельное значение тока, которое не изменяется при дальнейшем увеличении напряжения.Это явление называется током насыщения и оно может быть использовано в качестве индикатора количества электронов, выбиваемых светом.
Помимо этого, существует понятие напряжения запирания, которое требует более детального объяснения. Для этого необходимо рассмотреть поведение системы при наложении отрицательного потенциала, равного кинетической энергии выбиваемого электрона. В таком случае, электрон не будет иметь достаточно энергии для продолжения движения, и ток в системе прекратится:
Необходимо сделать важный вывод, что, измеряя напряжение запирания, можно оценивать энергию выбитых электронов, а измеряя ток насыщения - количество электронов.
Так как интенсивность света пропорциональна кинетической энергии электронов, при увеличении интенсивности света должна увеличиваться энергия запирания. Однако на эксперименте видно, что при увеличении интенсивности света напряжение запирания не меняется, а изменяется только величина тока насыщения. Следовательно, увеличение интенсивности света приводит к увеличению числа выбитых электронов, но не к возрастанию их энергии. Важно заметить, что если менять цвет излучения (частоту света), сохраняя интенсивность, значение тока насыщения остается таким же, а напряжение запирания изменяется. В свою очередь, при облучении красным цветом, который обладает меньшей энергией в видимом диапазоне частот, можно добиться отсутствия фотоэффекта.
Значение открытия
Работа Эйнштейна по фотоэффекту имела огромные последствия для физики:
- Подтверждение квантовой природы света: Теория Эйнштейна дала новое понимание природы света, что было революционным на тот момент.
- Развитие квантовой механики: Открытие Эйнштейна стало одним из краеугольных камней, на которых была построена квантовая механика.
- Технологические приложения: Понимание фотоэффекта привело к развитию множества технологий, таких как фотоэлементы, фотомножители, солнечные батареи и другие устройства, основанные на преобразовании света в электричество.
Фотоэффект является одним из важнейших примеров, демонстрирующих переход от классической физики к квантовой и играющим важнейшую роль в современной науке и технике.
В конце этой работы предлагаю каждому читателю почувствовать себя в роли исследователя и провести изучение основ фотоэффекта с помощью следующего обучающе-игрового ресурса: https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/photoelectric/latest/photoelectric.html?simulation=photoelectric
