Явление фотоэффекта

Явление фотоэффекта

Явление фотоэффекта было открыто Г. Герцем в 1887 г. В 1888-1890 годах А.Г. Столетов установил, что максимальный фотоэлектрический ток прямо пропорционален падающему лучистому потоку (рис. 1).

Наиболее полно явление фотоэффекта было исследовано Ф. Ленардом в 1900г. В 1897 году Д. Томпсон открыл электрон и начались попытки поиска интерпретации этого эффекта.

Считается, что это удалось сделать А. Эйнштейну. Он предположил простую математическую модель, которая, как считается до сих пор, великолепно описывает количественные характеристики этого эффекта и позволяет правильно интерпретировать его физическую суть. За это ему была присуждена Нобелевская премия в 1922 году.

,

где - кинетическая энергия фотоэлектрона, испускаемого фотокатодом (-); - энергия фотона, но какого именно, не поясняется; - работа выхода фотоэлектрона - константа.

Предполагалось, что фотоны с энергией , облучающие фотокатод (), выбивают из него электроны, кинетическая энергия которых равна разности энергии фотона и энергии, равной работе выхода . В электрической цепи в этот момент появляется ток. Однако, как предполагалось, если на коллекторе А сформировать отрицательный потенциал (рис. 1), то можно задержать поток электронов к нему, вылетающих из катода К. Этот факт регистрируется отсутствием тока в цепи, а напряжение, при котором это происходит, называется задерживающим потенциалом .

Оказалось, что величина задерживающего потенциала увеличивается ступенчато с увеличением частоты света, и не зависит от его интенсивности. Из этого был сделан вывод о том, что величина задерживающего потенциала определяется кинетической энергией электронов, излучаемых фотокатодом К под действием светового облучения. Считалось, что фотоны с большей частотой, имея большую энергию, не только выбивают электроны катода К, но и сообщают им большую кинетическую энергию , поэтому для задержания таких электронов (рис. 1) требуется больший отрицательный электрический потенциал .

Итак, считается, что фотон выбивает электрон из катода. Делать это он может лишь при одном условии - передавая свой импульс электрону. Как же он может это сделать, если размер () светового фотона на 5 порядков больше размера электрона ()? Ответ один: передача фотоном импульса электрону, находящемуся в атоме, абсолютно невозможна без процесса поглощения фотона электроном.

Рис. 1. Схемы опытов А.Г. Столетова

Появление тока в облучаемой пластине может быть следствием двух событий.

Первое - поглощение фотона электроном, связанным с атомом, но свободным от валентной связи, формирующей молекулу. В результате такой электрон, поглотив фотон, теряет связь с атомом и переходит в свободное состояние.

Конечно, не все фотоны поглощаются электронами материала катода. Часть из них отражается и этот процесс тоже влияет на формирование тока в цепи фотокатод - источник питания. Нам уже известно, что фотоны, падающие на отражающую поверхность, поляризуются в плоскости отражения (не отражающей плоскости 5, а плоскости отражения 4). В результате у них все спины оказываются перпендикулярными плоскости отражения 4 и они, действуя на свободные электроны, упорядочивают их ориентацию, которая немедленно передается всем свободным электронам, и приборы фиксируют это, как появление тока в цепи. Чем больше фотонов попадёт на поверхность катода, тем мощнее будет их суммарное магнитное поле в момент отражения, которое и сориентирует большее количество электронов и величина тока, однонаправленного движения электронов увеличится (рис. 1, а).

Таким образом, вторая причина появления тока в проводах - поляризация фотонов в момент отражения. В результате они направляют свои спины вдоль провода и они ориентируют спины свободных электронов в проводе в таком же направлении.

Электрон атома формирует спектр, так называемых стационарных энергетических уровней только тогда, когда атом находится в свободном состоянии. Если же он в составе молекулы, то у его электронов изменяются энергии связи с протонами ядер не только валентных электронов, но и электронов свободных от валентных связей.

В результате энергия ионизации не валентных электрона атома в момент, когда он находится в составе молекулы могут отличаться от энергии его ионизации, когда атом находится в свободном состоянии. Это обусловлено тем, что в момент соединения валентных электронов двух атомов, формирующих молекулу, энергии связи с протонами изменяются не только у валентных, но у всех остальных электронов атома. Это явление присуще не только атомам, но и ядрам и называется процессом (насыщения), а точнее - перераспределения энергий связи.

Результаты опытов по фотоэффекту позволяют проверить достоверность описанного явления. Для этого надо, определить главное квантовое число , которое определяет энергию связи любого электрона любого атома, находящегося в свободном состоянии. В этом случае электроны могут занимать, так называемые стационарные энергетические уровни и величины их энергий связи с протонами определяются по элементарной зависимости (154). Здесь - энергия связи электрона с протоном ядра, соответствующая его первому энергетическому уровню . Она содержится в экспериментальных спектрах и определяется по специальной методике.

Если не валентный электрон атома, находящегося в составе молекулы, поглощает такой фотон, который уменьшает его энергию связи с протоном ядра до нуля и он становится свободным, то главное квантовое число в этом случае будет дробным числом.

Итак, экспериментальное значение, так называемой энергии выхода фотоэлектрона, должно позволить вычислить величину главного квантового числа , при котором электрон, поглотивший фотон, становится свободным. Попытаемся найти связь работы выхода фотоэлектрона с главным квантовым числом .

Из экспериментальной спектроскопии следует, что электроны удаляются от ядер атомов ступенчато. Ступенчато меняются и их энергии связи с протонами ядер, поэтому появление свободных электронов в фотоэффекте К (рис. 1) - результат потери ими связи с протонами ядер атомов. Следовательно, закономерность этой потери должна подчиняться закону излучения и поглощения фотонов электронами атомов. Из этого следует, что математическая модель, предложенная А. Эйнштейном для интерпретации фотоэффекта, должна быть идентична установленной нами математической модели формирования спектров атомов и ионов. Она имеет вид.

,

где - энергия фотона, поглощаемого или излучаемого электроном; - энергия ионизации электрона, равная энергии такого фотона, после поглощения которого электрон теряет связь с протоном ядра и становится свободным; - энергия связи электрона с протоном ядра атома, соответствующая его первому энергетическому уровню; - главное квантовое число; - энергия связи электрона с протоном ядра, соответствующая энергетическим уровням .

Соотношение следует из экспериментальной спектроскопии, поэтому оно является математической моделью закона формирования спектров атомов и ионов. Эйнштейновское уравнение также описывает аналогичный процесс поглощения фотонов электронами. Это дает нам основание предположить идентичность уравнений и однозначность их интерпретации. Действительно, из приведенных уравнений следует

.

Это означает ошибочность представлений о физической сути энергии . Это не кинетическая энергия электрона, а энергия поглощённого им фотона. Из этого следует, что электрон атома или молекулы после поглощения фотона становится свободным и никуда не вылетает. Он остаётся в зоне получения свободы и увеличивает количество свободных электронов в этой зоне. Конечно, отделившись от молекул, электрон имеет какую-то кинетическую энергию, но она недостаточна, чтобы выйти за пределы тела, в котором произошло это событие. Этот процесс идёт непрерывно почти во всех телах. Увеличение частоты фотонов, а значит и их энергий, означает, что они освобождают от связей электроны с большими энергиями связи и таким образом увеличивают количество свободных электронов в теле, облучаемом фотонами. Далее

.

Из этого явно следует, что величина энергии в уравнении А. Эйнштейна является энергией ионизации электрона, излучаемого материалом фотокатода. Она равна энергии такого фотона, поглотив который электрон становится свободным. Из уравнений также следует.

.

Новое прояснение: работа выхода фотоэлектрона равна энергии связи электрона в момент пребывания его на определенном энергетическом уровне в атоме или молекуле.

Таким образом, ошибочная интерпретация физической сути составляющих формулы А. Эйнштейна повлекла за собой ошибочную интерпретацию физической сути фотоэффекта, поэтому возникает необходимость разобраться в сути этой ошибочности.

Экспериментальные исследования фотоэффекта обычно проводят с фотокатодами (отрицательно заряженными пластинами) из щелочных металлов. Например, известно, что работа выхода фотоэлектрона с литиевого фотокатода равна W=2,4 eV. Энергия ионизации этого электрона равна , а энергия связи его с ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, - . Учитывая это, и используя математическую модель закона формирования спектров атомов и ионов, получим теоретический спектр этого электрона (теор.), который полностью совпадает с экспериментальным (эксп.) спектром. При этом формула позволяет рассчитать энергии связи этого электрона с ядром атома (по Эйнштейну работу выхода), соответствующие всем () энергетическим уровням этого электрона (рис. 2).

Рис. 2. Схема молекулы лития

Это даёт нам возможность определить номер энергетического уровня не валентного электрона, с которого он уходит в свободное состояние после поглощения фотона. Подставляя в формулу и , найдем =2,4. Поскольку величина оказалась дробным числом, то это значит, что поглощённый фотон освободил один из не валентных электронов (2 или 3) атома лития. Энергия связи электронов свободных атомов лития изменяется в этом случае в интервале 1,56…3,51eV. Величина энергия указывает на то, что фотон освободил не валентный электрон атома лития, находящегося в составе молекулы.

Обратим внимание на то, что энергия связи принадлежит одному фотону. После поглощения этого фотона одним из валентных электронов (1 или 1') она распределяется между двумя электронами (1 и 1') поровну и становится равной 1, 2 eV (рис. 2).

Для фотоэлектрона натриевого фотокатода имеем: , и . Используя математическую модель закона формирования спектров атомов и ионов и формулу, получим спектр фотоэлектрона натрия.

Величина , определенная с помощью формулы, оказывается равной . Из этого также следует, что источником фотоэлектронов натриевого фотокатода являются не валентные электроны этого атома, входящего в состав молекулы. Энергии связи между электронами атомов натрия в момент, когда он находятся в молекуле, изменяются в интервале 1,45…3,27 eV.

Из изложенного следует, что эйнштейновская кинетическая энергия электрона является энергией поглощённого фотона, а энергия эйнштейновского фотона равна энергии ионизации электрона. Эйнштейновская работа выхода равна энергии связи электрона с ядром атома. Таким образом, потребовалось почти 100 лет, чтобы установить истинный физический смысл математических символов закона фотоэффекта (278), открытого А. Эйнштейном.

Анализ закона формирования спектров атомов и ионов и результаты расчета спектров показывают, что энергия связи электрона с ядром атома меняется ступенчато. Чем больше энергия связи электрона с протоном ядра, тем большая энергия фотонов требуется для разрыва этой связи, но не для сообщения кинетической энергии электрону, которому дали название фотоэлектрон.

Из изложенного следует обилие противоречий у существующей ошибочной интерпретации фотоэффекта, но корректность математической модели, описывающей этот эффект, сохраняется. Это обусловлено тем, что, как мы теперь установили, математическая модель описывает лишь процесс перехода электрона из связанного состояния в свободное и не описывают его вылет из фотокатода.

Конечно, мы не имеем ещё информации о процессе поглощения фотона электроном. Можно только предположить, что в момент отражения фотона от поверхности фотокатода его скорость может меняться в широких пределах и при угле отражения, близком к 90, он имеет фазу остановки, в результате которой его кольцевые магнитные поля формируют магнитные лучи, на концах которых появляется магнитная полярность. Взаимодействуя с противоположной магнитной полярностью электрона, масса фотона, сформированная самим магнитным полем, образно говоря, перетекает в структуру электрона, уменьшая его энергию связи с протоном ядра.

А. Эйнштейн приписал энергии связи электрона с протоном работу выхода, которая, как считалось, формирует кинетическую энергию освободившемуся электрону. Теперь мы знаем, что освободившийся электрон не обладает кинетической энергией, он остаётся в зоне освобождения от связей и увеличивает количество свободных электронов в этой зоне.

Чтобы облегчить процесс формирования правильного понимания физической сути фотоэффекта, отметим главное - наличие в электрических проводах только электронов - носителей отрицательных зарядов и полное отсутствие протонов - носителей положительных зарядов. Обусловлено это тем, что соседство протонов и электронов автоматически приводит к формированию атомов водорода, которые существуют лишь в плазменном состоянии при температуре около 5000 С.

Положительный и отрицательный потенциалы присутствуют в электролитических растворах. Носителями этих потенциалов являются электроны отрицательно заряженных ионов и протоны атомов водорода, входящие в положительно заряженные ионы. При этом отрицательно заряженные ионы приносят электроны к аноду - клемме батареи, которая обозначена знаком плюс (+). От этой клеммы они движутся по внешним проводам, совершают работу во внешней сети и возвращаются к минусовой (-) клемме батареи. Здесь электроны принимают ионы, содержащие атомы водорода, в составе которых - положительно заряженные протоны, формирующие положительные потенциалы этих ионов. Так что по электрическим проводам движутся только электроны. И движутся они от анода (+) к катоду (-), если источником энергии является батарея. Это - главная информация, без знания которой невозможно найти непротиворечивую интерпретацию фотоэффекта.

На рис. 1, а показана схема эксперимента А. Г. Столетова. В электрическую сеть батареи Б включены две пластины конденсатора. Пластина А, в виде медной сетки, подключена к плюсу батареи, а цинковая пластина К - к минусу. Когда свет от источника S, проходя через медную сетку А, падает на отрицательно заряженную цинковую пластину К, то гальванометр G показывает ток.

Причина показаний гальванометра - появление разности потенциалов между пластиной К и отрицательной клеммой батареи. Эта разность обусловлена тем, что новые свободные электроны, появившиеся в пластине К, вынуждены выровнять образовавшуюся разность потенциалов. Они делают это, перемещаясь к минусовой клемме батареи. Процесс этого перемещения фиксирует гальванометр G.

Это центральный момент в понимании сути фотоэффекта, поэтому на него надо обратить особое внимание и запомнить его суть - выравнивание потенциалов.

Если к пластине К подключить плюс батареи вместо минуса (рис. 1, b), то электроны, идущие от плюса батареи, заряжают её отрицательно. Новые электроны, появившиеся в результате облучения той же пластины светом, не могут двигаться к плюсовой пластине батареи, окружённой отрицательно заряженными ионами. Отсутствие показаний гальванометра G подтверждает этот факт.

Конечно, достоверность описанной интерпретации нуждается в дополнительной проверке. Для этого надо поставить второй гальванометр в цепь: минус батареи - пластина А (рис. 1, c). Несмотря на то, что площадь сетчатой пластины A значительно меньше площади цинковой пластины К гальванометр покажет наличие тока в этой цепи. Он будет фиксировать движение новых свободных электронов, появляющихся в пластине А в результате её облучения, к положительно заряженным ионам, которые концентрируются у поверхности отрицательно заряженной пластины батареи, клемма которой обозначена знаком минус. Жаль, что нам не удалось найти литературный источник, в котором описывалось бы действие гальванометра, показанного на рис. 1, b и мы полагаем, что студенты сами проверят это.

Добавим к изложенному: существует большое количество опытов, в которых показано, что свободные электроны могут появляться в облучаемой пластине и при отсутствии на ней какого-либо первоначального потенциала. Установлено, что цинковые пластины наиболее чувствительны к появлению свободных электронов при облучении ультрафиолетом.

Строго говоря, особой нужды в проверке достоверности описанной интерпретации физической сути опыта А.Г. Столетова не существует, так она реализуется в схемах работы солнечных батарей. Электроны атомов солнечных батарей, освобождённые поглощёнными фотонами, никуда не вылетают, а движутся по проводам и пополняют потенциал электролитических батарей. Так работают зарядные устройства батарей питания калькуляторов, мобильных телефонов и других многочисленных подобных устройств.