Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
пространстве между пластинами появляются, носители заряда. Разумеется, на
освещаемую пластину следует подавать отрицательный потенциал.
С помощью установки, изображенной на рис. 1, можно исследовать
зависимость тока от интенсивности и от частоты света, падающего на
пластину.
Наиболее простой является зависимость тока г в цепи от интенсивности
света I при одной и той же частоте ио (рис. 2). Число электронов,
вырываемых светом с поверхности пластины, прямо пропорционально
Рис. 1. Схема установки для исследования фотоэффекта.
§1. Корпускулярные свойства электромагнитного излучения
И
Рис. 2. Зависимость тока от интенсивности света.
интенсивности света. Такой характер графика вполне согласуется с
представлениями классической физики о взаимодействии электромагнитных
волн с электронами.
Однако при исследованиях обнаружились и явления, резко противоречащие
представлениям классической физики. Осветим пластину В монохроматическим
светом с частотой си и интенсивностью 1\ и исследуем зависимость силы
тока от разности потенциалов между электродами. Оказывается, что ток
течет при всех отрицательных значениях V = У в -
- Va и при положительных значениях V, вплоть до некоторого Vo, а при У >
Vo прекращается. Эта зависимость тока от разности потенциалов изображена
на рис. 3.
Разность потенциалов Vo, при которой электрический ток прекращается,
называется запирающим потенциалом. Запирающий потенциал связан с
максимальной кинетической энергией электронов, выбиваемых светом из
пластины В, очевидным соотношением eVo = Т, где е - заряд электрона, а Т
- максимальная кинетическая энергия электронов.
На рис. 3 изображена также кривая фототока при некоторой другой
интенсивности света (/2 > ii), но при той же частоте. Как и следовало
ожидать, ток в этом случае оказывается большим, чем в первом случае.
Неожиданным оказывается тот факт, что запирающий потенциал Vo при этом не
изменяется. Таким образом, опыт показывает, что максимальная кинетическая
энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света. Этот результат
резко противоречит представлениям классической физики. Согласно
классической теории интенсивность световой волны пропорциональна квадрату
амплитуды электрического вектора, воздействующего на электроны в металле.
Чем больше интенсивность света, тем большую энергию должны получать
вырываемые из металла электроны.
Результаты опытов показывают, что запирающий потенциал Vo (а
следовательно, и энергия фотоэлектронов) зависит не от интенсивности, а
от частоты света. Эта зависимость изображена на рис. 4 и имеет вид
прямой, не проходящей через начало координат. Наименьшая частота света
с^о, при которой возникает фотоэффект, называется красной границей
фотоэффекта и зависит от вещества, из которого сделана облучаемая
пластина.
Зависимость, изображенная на рис. 4, противоречит обычным клас-
12
Глава 1
I,
I,
V0 V
Рис. 3. Зависимость тока от разности Рис. 4. Зависимость задержи-
сическим представлениям не менее резко, чем обсуждавшееся выше отсутствие
связи между кинетической энергией фотоэлектронов и интенсивностью света.
Если считать электроны в металле свободными, то их кинетическая энергия
(при данной интенсивности света) с увеличением частоты должна была бы не
расти, а падать. В самом деле, уравнение движения свободного электрона
под действием электрического поля световой волны Е cos cut записывается в
виде
Таким образом, по классической физике кинетическая энергия свободных
электронов с увеличением частоты света должна не возрастать, а падать. Не
является ли этот результат указанием на то, что ответственные за
фотоэффект электроны на самом деле не являются свободными? Покажем, что
взаимодействие световой волны со связанными в атомах электронами также не
может объяснить хода кривой на рис. 4. При воздействии гармонически
меняющегося со временем электрического поля с упругосвязанными
электронами должна наблюдаться резонансная зависимость амплитуды
колебаний от частоты света. Следует поэтому ожидать, что зависимость
запирающего потенциала от частоты также
потенциалов между электродами.
вающего потенциала от частоты света.
тх = еЕ cos ut.
Интегрируя это уравнение, найдем
еЕ • ,
mv = -- sincjt,
iij >
§1. Корпускулярные свойства электромагнитного излучения
13
будет иметь резонансный характер, как это изображено на рис. 5. Таким
образом, наблюдающаяся на опыте зависимость Vo от со (рис. 4) не имеет
ничего общего с предсказаниями классической физики как для свободных, так
и для связанных электронов.
Объяснение фотоэлектрического эффекта было найдено Альбертом Эйнштейном
(1905 г.). Эйнштейн предложил рассматривать свет, взаимодействующий с
электронами при фотоэффекте, не как волну, а как поток корпускул, или
квантов. Энергия каждого, кванта определяется соотношением
Е = hco.
(l.i)
Рис. 5. Зависимость задерживающего потенциала от частоты света
(классическая модель упруго связанных электронов).
Здесь со - круговая частота света,
