Original: http://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html
Майкл Фаулер
Університет Вірджинії
Герц виявляє хвилі Максвелла: і ще дещо
Найбільш драматичним пророцтвом теорії електромагнетизму Максвелла, опублікованої в 1865 р., було існування електромагнітних хвиль, що рухаються зі швидкістю світла, і висновок, що саме по собі було запалювати тільки така хвиля. Цей виклик експериментаторів для генерації і виявлення електромагнітного випромінювання, з використанням тієї або іншій формі електричного пристрою. Перша успішна спроба явно був Генріх Герц в 1886 році він використовував індукційну котушку високої напруги, щоб викликати іскровий розряд між двома шматками латуні, цитувати його, “Уявіть циліндричний корпус з латуні, 3 см в діаметрі і довжиною 26 см, перервана на півдорозі вздовж його довжини за допомогою іскрового проміжку, полюса по обидві сторони утворені сфери радіусом 2 см“. Ідея полягала в тому, що колись іскра утворюється електропровідний шлях між двома мідними проводами, заряд буде швидко осциллировать взад і вперед, випускаючи електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі, подібної розміром самих провідників.
Для того, щоб довести, що дійсно було випромінювання, воно повинно було бути виявлено. Герц використовував шматок мідного дроту товстої зігнутою 1 мм в коло діаметром 7,5 см, з невеликою латунної сфери на одному кінці, а інший кінець дроту було зазначено, з точки поблизу області. Він додав гвинтовий механізм так, щоб точка могла бути переміщена дуже близько до сфери контрольованим чином. Цей “приймач” був розроблений таким чином, що струм коливальний назад і вперед в проводі буде мати природний період, близький до того, що від “передавача”, описаного вище. Присутність коливається заряду в приймальнику буде сигналізувати іскра через (крихітний) зазор між точкою і сферою (як правило, цей розрив становив соті частки міліметра). (Було запропоновано герц, що цей іскровий проміжок може бути замінений в якості детектора по нозі, підготовленої відповідним чином жаби, але це, мабуть, не вийшло.)
Експеримент був дуже успішним – Герц був в змозі виявити випромінювання до п’ятдесяти футів, а в серії дотепних експериментів встановлено, що випромінювання відбивається і заломлюється, як і очікувалося, і що він був поляризований. Основна проблема – обмежуючим фактором у виявленні – був в змозі побачити крихітні іскри в приймальнику. Намагаючись поліпшити видимість іскру, він наткнувся на щось дуже загадковою. Щоб ще раз процитувати герцах (він назвав передавач іскри А, приймач B): “Я час від часу укладена іскровий B в темному випадку з тим, щоб легше зробити спостереження, і при цьому я помітив, що максимальна іскровим довжина став явно менше в разі, ніж це було раніше. Знявши послідовно різні частини корпусу, було видно, що тільки частина його, яка здійснюється досудове ефект, що екранувати іскри B від свічки А. Перегородка на тій стороні виставляється цей ефект, а не тільки тоді, коли він перебував у безпосередній близькості від іскри B, але і коли він був вставлений на великих відстанях від B між A і B. Явище настільки чудовим закликав до тіснішої дослідження“.
Герц потім приступив до дуже ретельне розслідування. Він виявив, що невеликий приймач іскра була більш енергійної, якщо вона зазнавала впливу ультрафіолетового світла від передавача іскри. Минуло багато часу, щоб зрозуміти це – він спочатку перевірити на якийсь електромагнітний ефект, але знайшов лист скла ефективно екрановані іскри. Потім він знайшов плиту кварцу не екранувати іскру, після чого він використовував кварцову призму, щоб зруйнувати світ від великої іскри на її компоненти, і виявив, що довжина хвилі, яка зробила маленька іскра потужнішим було за межами видимого, в ультрафіолет.
У 1887 році, Герц прийшов до висновку, що повинно було місяців дослідження: “… Я обмежую себе в даний час для передачі отриманих результатів, без спроби будь-якої теорії, поважаючи те, яким чином спостерігаються явища викликаються“.
Простий підхід Гальвакса
У наступному 1888 році інший німецький фізик Вільгельм Гальвакс у Дрездені писав:
“У недавній публікації Герц описав дослідження по залежності максимальної довжини індукційної іскри на випромінювання, отримані ним від іншого індукційної іскри. Він довів, що спостережуване явище є дією ультрафіолетового світла. Немає більше світла на природа явища може бути отримано через складні умови дослідження, в якому вона з’явилася. Я намагався отримати пов’язані з ним явища, які відбуватимуться в простіших умовах, для того щоб зробити пояснення явищ легше. Успіх був отриманий досліджуючи дію електричного світла на електрично заряджених тіл“.
Потім він описує його дуже простий експеримент: чистий круглу пластину цинку був встановлений на ізолюючої підставці і кріпиться дротом до золотої лист електроскопом, який потім був заряджений негативно. Електроскоп втратив свій заряд дуже повільно. Проте, якщо цинкову пластину піддають дії ультрафіолетового світла від дугової лампи, або від горіння магнію, заряд просочилася геть швидко. Якщо планшет заряджений позитивно, не було швидкої витоку заряду. (Ми показали це як лекційний демо, за допомогою УФ-лампи в якості джерела.)
Запитання для читача: чи може бути так, що ультрафіолетове світло якось зіпсували ізоляційні властивості стенду цинк на планшет? Може бути, що електричні або магнітні ефекти від великого струму в дугової лампи якимось чином викликало витік заряду?
Хоча експеримент Гальвакса, безумовно, прояснив ситуацію, він не запропонував теорію про те, що відбувається.
Дж. Дж. Томсон визначає частинки
Насправді, ситуація залишається незрозумілою до 1899 року, коли Томсон встановив, що ультрафіолетове випромінювання викликане електронами, що видається, ті ж частинки, знайдені в катодних променів. Його метод, щоб докласти металеву поверхню, щоб піддаватися впливу радіації у вакуумній трубці, іншими словами, щоб зробити його катод в електронно-променевої трубки. Нова особливість в тому, що електрони повинні були бути викинуті з катода випромінюванням, а не сильним електричним полем, використовуваної раніше.
До цього часу була правдоподібну картину того, що відбувається. Атоми в катоді містяться електрони, які струшують і змушують вібрувати вагається електричним полем падаючого випромінювання. Зрештою, деякі з них будуть розгойдуватися вільно, і буде витягнутий з катода. Доцільно розглянути ретельно, як кількість і швидкість електронів, що випускаються можна було б очікувати, щоб змінюватися в залежності від інтенсивності і кольору падаючого випромінювання. Збільшення інтенсивності випромінювання похитали б електрони сильніше, так що можна було б очікувати більш випускається, і вони будуть стріляти з більшою швидкістю, в середньому. Збільшення частоти випромінювання похитали б електрони швидше, так що може викликати електрони, щоб вийти швидше. Для дуже тьмяному світлі, то буде потрібно якийсь час для того, щоб електрон працювати до достатньої амплітуди вібрації, щоб розхитати.
Ленард знаходить деякі сюрпризи
У 1902 році Ленард вивчав, як енергія вилітають фотоелектронів змінювалася з інтенсивністю світла. Він використовував дугового світло вуглецю, і може збільшити інтенсивність в тисячу разів. Випущених електронів вдарив іншого металеву пластину, колектор, який був з’єднаний з катодом проводом з чутливим амперметр для вимірювання струму, що виробляються освітлення. Для вимірювання енергії випускаються електронів, Ленард заряджений пластини колектора негативно, щоб відобразити електрони, що приходять до нього. Таким чином, тільки електронів, вибитих з достатньою кінетичної енергією, щоб отримати цей потенційний пагорб сприятиме течією. Ленард виявив, що існує цілком певний мінімальна напруга, що припинив всі електрони доходять, ми будемо називати його Vstop. На свій подив, він виявив, що Vstop не залежить взагалі від інтенсивності світла! Подвоєння інтенсивність світла подвоїлася кількість електронів, що випускаються, але не впливає на енергії випускаються електронів. Більш потужний осцилююче поле виштовхується більше електронів, але максимальна індивідуальна енергія випущених електронів була такою ж, як і для слабшого поля.
Але Ленард зробив щось інше. З його дуже потужною дугової лампи, була достатньою інтенсивності, щоб виділити кольору і перевірити фотоелектричний ефект, використовуючи світло різних кольорів. Він виявив, що максимальна енергія випускаються електронів таки залежала від кольору — з коротшою довжиною хвилі, більш висока частота світла, викликані електрони можна викидати разом із більшою енергією. Це було, проте, досить якісний висновок — вимірювання енергії не були дуже відтвореним, так як вони були надзвичайно чутливі до стану поверхні, зокрема, його стан часткового окислення. У кращому вакуум наявних в той час, значне окислення свіжої поверхні мали місце в кількох десятків хвилин. (Деталі поверхні мають вирішальне значення, так як швидкі електрони, що випускаються ті, праворуч на поверхні, і їх зв’язування з твердої сильно залежить від природи поверхні — це чистий метал або суміш атомів металу і кисню?)
Запитання: на наведеному вище малюнку, батарея являє потенціал Ленард використовується для зарядки пластини колектора негативно, що буде насправді бути змінної джерела напруги. Так як електрони, викинуті синім світлом отримують на пластину колектора, очевидно, потенціал подається від батареї менше, ніж Vstop для синього світла. Показати стрілкою на дроті напрям електричного струму в проводі.
Ейнштейн пропонує пояснення
У 1905 році Ейнштейн дав дуже просту інтерпретацію результатів Ленарда. Він просто припустив, що входить випромінювання слід розглядати як кванти частоти hf, з частотою f. У фотоемісії один такий квант поглинається одним електроном. Якщо електрон знаходиться на деякій відстані в матеріал катода, деяка кількість енергії буде втрачена при його русі в напрямку до поверхні. Там завжди буде деяка електростатичне вартість як електрон залишає поверхню, це, як правило, називається функцією роботи, W. Найенергійніші електрони, що випускаються будуть ті, дуже близько до поверхні, і вони покидають катод з кінетичної енергією
E = hf – W.
На провертаючи негативного напруги на колекторної пластині, поки струм тільки зупиняється, тобто Vstop, найвищі кінетичні енергії електронів повинен мати енергію eVstop на виході з катода. Отже,
Таким чином, теорія Ейнштейна дає цілком визначене кількісне пророцтво: якщо частота падаючого світла змінюється, і Vstop графік в залежності від частоти, нахил лінії повинен бути h/e.
Також очевидно, що існує мінімальний частота світла для даного металу, що, для якого квант енергії дорівнює роботі виходу. Світло нижче цієї частоти, незалежно від того, наскільки яскраво, не викликатиме фотоемісії.
Спроби Міллікена спростувати теорію Ейнштейна
Якщо ми приймемо теорію Ейнштейна, то, що це зовсім інший спосіб вимірювання постійної Планка. Американський фізик-експериментатор Роберт Міллікен, який не прийняв теорію Ейнштейна, яку він бачив, як напад на хвильової теорії світла, не працював протягом десяти років, до 1916 року, на фотоефекту. Він навіть розробив методи для зіскоблювання чищення металевих поверхонь всередині вакуумної трубки. Незважаючи на всі свої зусилля, які він виявив невтішні результати: він підтвердив теорію Ейнштейна, вимірювання постійної Планка з точністю до 0,5 % з допомогою цього методу. Втішає те, що він дійсно отримав Нобелівську премію з цієї серії експериментів.
Посилання
“Тонким є Господь…” Наука і життя Альберта Ейнштейна, Абрахам Паіс, Оксфорд, 1982 р.
Той, що повертається із плавання, Абрахам Паіс, Оксфорд, 1986 р.
Проект курсу фізики, текст, Холт, Райнхарт, Уїнстон, 1970 р.
