Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Открытие фотоэффекта (Александр Бекеррель). Эксперименты по фотоэффекту Смита, Герца, Гальвакса, Томсона, Ленарда

Явление внешнего фотоэффекта (эффекта фотоэлектронной эмиссии) заключается в испускании свободных электронов телом, на которое падает свет. Внутренним фотоэффектом называют изменение плотности носителей заряда или ее распределения внутри тела под действием света. Внутренний фотоэффект в большинстве случаев проявляется в виде фотопроводимости. Чаще всего под словом «фотоэффект» понимается именно внешняя его разновидность, т.е. фотоэлектронная эмиссия.

Впервые фотоэффект наблюдал в 1839 году Александр Эдмон Бекеррель (1820–1891) — отец Антуана Анри Бекерреля, открывшего радиоактивность. Он обнаружил так называемый фотовольтаический эффект в электролите — возникновение ЭДС под действием света. Этот эффект относится к внутренней разновидности фотоэффекта: электроны в молекулах жидкости перераспределяются по энергетическим зонам — зоне проводимости и валентной зоне, поэтому равновесие в электрохимической реакции сдвигается, и возникает фотоЭДС. Наблюдения Александра Бекерреля четко показали наличие связи между атомно-молекулярной структурой вещества и световыми волнами.

Следующее наблюдение было сделано почти полвека спустя. В 1873 году инженер-электрик Уиллоуби Смит (1828–1891) открывает фотопроводимость селена. На основе сделанного им открытия он конструирует первые телевизионные ячейки, позволяющие «снимать» освещенность, переводя ее в электрический ток. Фотопроводимость есть также проявление внутреннего фотоэффекта.

По всей видимости, с внешним фотоэффектом впервые столкнулся Генрих Рудольф Герц (1857–1894) в своей знаменитой серии экспериментов 1887 года с объемным резонатором. Эти эксперименты ставились, чтобы подтвердить гипотезу Максвелла об электромагнитных волнах и изучить их свойства. Волны излучались, когда в конденсаторе колебательного контура возникал пробой — искра — и затем начинались затухающие колебания тока. Герц заметил, что если металлические пластины конденсатора облучать ультрафиолетовым излучением, искра проскакивает при меньшем приложенном напряжении. С современной точки зрения данное явление объясняется тем, что выбитые из металла электроны, ускоряясь в электрическом поле между пластин, создают лавины, инициирующие искровой разряд.

В 1888 году Вильгельм Людвиг Франц Гальвакс (1859–1922) провел опыт по внешнему фотоэффекту с электроскопом (см. рис. справа). Электроскоп с подсоединенной к его выводу металлической пластиной заряжали, после чего пластина облучалась ультрафиолетовым излучением от электрической дуги. При этом отрицательно заряженный электроскоп разряжался, а положительно заряженный — практически нет. Из наблюдаемого Гальвакс сделал вывод, что металлическая пластина при облучении светом теряет отрицательный заряд. Действительно, электроны испускаются и положительно заряженной пластиной, но в силу электростатического притяжения не могут от нее улететь. Если же электроны выбиваются из отрицательно заряженной пластины, они свободно покидают ее, придавая электроскопу положительный заряд.

Наконец, в 1897 году Джозеф Джон Томсон открывает элементарный носитель заряда — электрон. Хотя в опытах Томсона и не была доказана дискретность электрического заряда, было найдено отношение заряда его носителей к их массе . Электроны были заряжены отрицательно и испускались нагретым металлическим катодом. К этому моменту Столетов уже поставил свои знаменитые эксперименты по фотоэффекту (1888–90), поэтому возникло естественное предположение о тождественности частиц, испускаемых металлами при фотоэлектронной и термоэлектронной эмиссии.

Соответствующий опыт был поставлен в 1898 году Филиппом Эдуардом Антоном фон Ленардом (1862–1947) с помощью изобретенной им разрядной трубки. Помимо вычисления отношения для фотоэлектронов, Ленард также выяснил, что скорость фотоэлектронов не увеличивается при увеличении интенсивности падающего света — растет только их количество и, как следствие, величина фототока. Скорости же электронов определялись лишь частотой падающего света. Это непостижимое с позиций классической физики явление было также обнаружено в опытах Столетова. Объяснение оно нашло десять лет спустя, когда введенное Планком квантование энергии Альберт Эйнштейн обобщил на электромагнитное поле, введя фотоны. Опытам Столетова и теории фотоэффекта Эйнштейна посвящен следующий раздел нашего обзора.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>