Физика для всех. Электроны - Китайгородский А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 5.4.
168
ального разлитая. Понимание и экспериментальные доказательства универсальной справедливости утверждения Планка пришли позже.
В ^работе Планка шла речь об излучении света порциями, т. е. квантами. Однако в ней не отмечалось, что квантовый характер излучения делает неизбежным введение в рассмотрение корпускулярного аспекта электромагнитного поля. Да, говорилось в то время, поле излучается порциями, но порция есть некоторый цуг волн.
Важнейший шаг, т. е. признание того, что излученная порция энергии hv есть энергия частицы, которую сразу окрестили фотоном, был сделан Эйнштейном, показавшим, что только с помощью корпускулярных представлений можно объяснить явление фотоэлектрического эффекта, т. е. выбивание электронов из твердых тел под действием света.
На рис. 5.4 изображена схема, с помощью которой в конце прошлого века началось детальное изучение явления, названного внешним фотоэффектом.
Впервые на то, что свет как-то влияет на электроды вакуумной трубки, указал, видимо, Генрих Герц в 1888 г. Работая одновременно, Сванте Аррениус (1859— 1927), Вильгельм ГаЛьвакс (1859—1922>, Аугусто Риги (1850—1920) и прекрасный русский физик Александр Григорьевич Столетов (1839—1896) показали,. что освещение катода приводит к возникновению тока. Если к показанной на рисунке трубке (ее называют фотоэлементом) напряжение не приложено, то лишь незначительная часть электронов^ выбитых светом из катода, доберется до противополодаяого электрода. Слабое подгоняющее напряжение (минус на фотокатоде) увеличит ток. В конце концов ток достигнет насыщения: все электроны (число которых приданной температуре вполне определенно) достигают анода.
Сила фототока строго пропорциональна интенсивности света. Интенсивность света однозначно определяется числом фотонов. Сразу же приходит.в голову мысль (строгие расчеты и опыты подтверждают ее), что один фотон выбивает из вещества один электрон.
Энергия фотона идет на то, чтобы вырвать электрон из металла и придать ему скорость. Именно так и понимается уравнение, которое впервые было записано
169
Альбертом Эйнштейном (1905). Вот это уравнение:
uv=—- + л,
где А — работа выхода (см. стр. 74).
Энергия фотона должна быть во всяком случае больше работй выхода электронов из металла. А это значит, что для фотона каждой энергии (а энергия однозначно связана с «цветностью») существует своя граница фотоэффекта.
Фотоэлементы, использующие описанный нами внешний фотоэффект, широко распространены. Они употребляются в фотореле, телевидении, звуковом кино.
Чувствительность фотоэлементов можно повысив, заполняя их газом. В этом случае ток усиливается разламыванием электронами нейтральных молекул газа и приобщением их к фототоку.
Фотоэлектрический эффект, правда не тот, который мы описали, а так называемый внутренний фотоэффект, происходящий в полупроводниках на границе р — п-слоя, играет исключительно важную роль в современной: технике. Но, чтобы не перебивать изложения, мы отложим разговор о прикладном значении фотоэффекта до следующей книги. Сейчас рассмотрение этого явления нам понадобилось лишь для того, чтобы показать неизбежность признания корпускулярных свойств у электромагнитного поля.
Долгое время фотоны были неприкаянными пасынками физики. Ведь доказательство существования фотона и исследование законов фотоэффекта на 20—30 лет опередило становление квантовой физики. Только в конце двадцатых годов, когда эти законы были установлены, стало понятным, почему одна и та же числовая константа — постоянная Планка h — появляется в формуле энергии фотона и в формуле, о которой шла речь на странице 100, определяющей возможные значения момента импульса частиц. • -
Значение этой постоянной определяется из самых различных опытов. Фотоэлектрический эффект, так называемый эффект Комптона (изменение длины волны рентгеновских лучей при рассеянии), возникновение излучения при аннигиляции частиц :— все эти и многие другие опыты приводят к одному и тому же числу.
170 ,
ОПЫТЫ ГЕРЦА
Теперь обратимся к тому, как были доказаны^ гипотезы, касающиеся волнового аспекта электромагнитного поля.
Из законов Максвелла логика и математика вытягивают следствия. Эти следствия могли оказаться верными, а могли бы и не подтвердиться на опыте, физическая теория входит в науку только после ее
экспериментальной про-i-^--^Vy—;——
верки. Путь становления ^^^^w х fs теории электромагнитного поля: от разрозненных фактов к общим гипотезам, от гипотез к следствиям и последний этап — эксперимент, который говорит свое решающее слово, — единственная правильная дорога естествош> пытателя. На примере законов электромагнитного пола эта дорога прослеживается особенно четко.
Поэтому мы и остановимся детально на опытах Герца, которые и сегодня помогают преподавателю показать Школьнику или студенту, как создается уверенность ученого в справедливости законов природы.
Историю придется начать с 1853 г., когда знаменитый английский физик Кельвин математически" доказал, что- при разряде конденсатора через катушку самоиндукции в цепи возникают электрические колебания: заряд на обкладках кон- Рис. 5.5.
