ТЕОРИЯ ФОТОЭФФЕКТА
Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе законов электродинамики Максвелла, согласно которым свет — это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались безрезультатными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает электроны. Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями. Энергия Е ка>вдой порции излучения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте: где h — постоянная Планка. Из того что свет излучается порциями, еще не вытекает прерывистая структура самого света. Ведь и минеральную воду продают в бутылках, но отсюда не следует, что вода состоит из неделимых частей. Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии E=hv сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком. Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии. Энергия порции света hv идет на совершение работы выхода А, т. е. работы, которую нужно совершить для извлечения электрона из металла, и на сообщение электрону кинетической энергии. Следовательно, Это уравнение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла. Скорость же электронов согласно (11.2) определяется только частотой света и работой выхода, зависящей от типа металла и состояния его поверхности. От интенсивности света она не зависит. Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота v света больше минимального значения vmin. Ведь, чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы: hv>A. Предельную частоту vmin называют красной границей фотоэффекта. Она выражается так: Работа выхода А зависит от рода вещества. Поэтому и предельная частота vmin фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна. Для цинка красной границе соответствует длина волны А,тах=3,7-10~7 м (ультрафиолетовое излучение). Именно этим объясняется опыт по прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовые лучи. Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка. Поэтому в опыте, описанном в § 88, использовалась цинковая пластина. У щелочных металлов работа выхода, напротив, меньше, а длина волны А,тах, соответствующая красной границе, больше. Так, для натрия А.тах=6,8-10~7 м. Пользуясь уравнением Эйнштейна (11.2), можно найти постоянную Планка h. Для этого нужно экспериментально определить частоту света v, работу выхода А и измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Такого рода измерения и расчеты дают /г=6,63-10~34 Дж • с. Точно такое же значение было найдено Планком при теоретическом изучении совершенно другого явления — теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полученных различными методами, подтверждает правильность предположения о прерывистом характере излучения и поглощения света веществом. Уравнение Эйнштейна (11.2), несмотря на свою простоту, объясняет основные закономерности фотоэффекта. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за работы по теории фотоэффекта. 1. Какие факты свидетельствуют о наличии у света корпускулярных свойств! * 2. Что такое красная граница фотоэффекта!