Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
431
В дальнейших опытах Леннарда и других физиков, проводимых в начале XX в., была детально исследована зависимость силы фототока от напряжения, приложенного к пластинам конденсатора. При этих измерениях определялся задерживающий потенциал ^зад, который нужно приложить, чтобы прекратился фототок. К этому времени уже были известны заряд и масса электрона и оказалось возможным прямыми измерениями отношения q/m доказать, что из металла выбиваются светом электроны, обладающие различной скоростью. При описании явления основной интерес представляют электроны наибольшей скорости имакс> так как в этом случае вся энергия света расходуется на вырывание их из тела металла и на сообщение им кинетической энергии. Во всех остальных случаях часть световой энергии переходит в теплоту и ее трудно учесть при составлении баланса.
Характерная кривая, получаемая при исследованиях подобного рода, представлена на рис. 8.13. В зависимости от геометрии электродов и других условий опыта она может несколько отклоняться от идеальной кривой 1, но основные характеристики процесса (/нас и ^зад) будут одинаковы, что и иллюстрирует кривая
2. Кривая 1 соответствует тому оптимальному случаю, когда все вылетевшие из катода электроны могут достичь противоположного полюса. Схема опыта подобного рода будет рассмотрена ниже. Если часть вылетевших из катода электронов теряется на пути к аноду, то получается кривая 2.
Сила тока насыщения оказалась строго пропорциональной световому потоку. Это очень важное свойство фотоэффекта, на котором основаны различные фотоэлектрические способы измерения световых потоков.
Схема физических явлений такова: выбитый светом электрон достигает анода благодаря своей начальной скорости. Для того чтобы погасить эту скорость, нужно приложить задерживающее поле. Следовательно,
^макс/2 = qVзад. (8.49)
Для истолкования механизма явления очень важен следующий экспериментальный результат. Оказалось, что Кзад не зависит от светового потока и для данного материала катода определяется частотой падающего на него излучения. Если освещать фотокатод светом различной частоты, то наблюдается линейная зависимость между измеряемым на опыте задерживающим потенциалом (соответствующим условию г = 0) и частотой падающего света:
^зад = kv - V0. (8.50)
В полученном из экспериментальных данных выражении
432
(8.50) значение Vq зависит от свойств и материала катода, а коэффициент k, определяющий наклон прямой в координатах (v> ^зад)> является некоторой константой. Фотоэффект начинается лишь при частотах, удовлетворяющих условию
vKp > Vo/*. (8-51)
и эта так называемая красная граница фотоэффекта будет различна для разных металлов (Zn ~ 3700А, Na ~ 5000А, Cs ~ 6500А и т.д.). Поэтому и не наблюдался фотоэффект при освещении цинкового катода видимым светом. В этом случае красная граница лежит в ультрафиолетовой области спектра. Если же нанести на цинк тонкий слой какого-либо щелочного металла, то фотоэффект будет иметь место при освещении такого сложного катода видимым светом.
Эти экспериментальные результаты никак нельзя объяснить, оставаясь в рамках классической физики. Действительно, предположив, что электрон вылетает из металла под действием световой волны, нужно рассматривать ее как некоторую вынуждающую силу, амплитуда которой должна определять максимальную скорость вылетевших электронов. Следовательно, ^зад должно быть пропорциональным световому потоку, а в эксперименте, как уже указывалось, установлено отсутствие такой зависимости. Непонятна также зависимость Узад от частоты падающего света. Казалось бы, эффект должен иметь резонансный характер и наблюдаться лишь в том случае, когда частота собственных колебаний электрона в металле совпадает с частотой падающего света. Между тем эффект усиливается при v > vKp, а наблюдавшиеся в некоторых условиях максимумы зависимости силы фототока от частоты облучающего катод света появляются лишь в специальных условиях эксперимента и не должны влиять на установление основного механизма процесса.
Как показал Эйнштейн, эти противоречия снимаются, если явления рассматривать с позиций квантовой теории. В этом случае нужно записать закон сохранения энергии для элементарного процесса, заключающегося во взаимодействии одного кванта света с веществом, сводящегося к передаче электрону дискретного количества энергии. При этом нужно учесть, что электрон в металле не является свободным и, чтобы покинуть тело металла, электрон должен преодолеть работу выхода А. При учете этих физически ясных условий легко записать уравнение, описывающее процесс поглощения одного кванта и возникновения электрона с наибольшей скоростью:
hv = А + тимакс/2- (8.52)
Учитывая исходное соотношение (8.49) между потенциалом
14-462
433
задержки и максимальной кинетической энергией фотоэлектрона, имеем
^зад = hv/q — Ajq. (8.53)
Выражение (8.53) находится в полном согласии с данными опыта. Коэффициент k — h/q действительно является константой, a Vq = Ajq должен зависеть от свойств катода, так как работа выхода электрона характеризуется глубиной потенциальной ямы, в которой находится электрон, и определяется свойствами данного металла. Заметим, что наблюдается совпадение между значением работы выхода, определяемым из результатов опытов по фотоэффекту, и данных, полученных при исследовании термоэлектронной эмиссии — физического процесса, в котором работа выхода играет основную роль.
