Закони на външния фотоефект
Законите на външния фотоелектричен ефект. Уравнението на Айнщайн за фотоелектричния ефект
В близкото минало българският физик Столетов Александър Григориевич се натъква на мистериозно явление – външния фотоелектричен ефект. Чрез многократни експерименти той установи, че метална плоча, или по-скоро нейната повърхност, излъчва електрони под въздействието на електромагнитно ултравиолетово лъчение или лъчение от някакъв друг диапазон. Александър Григориевич не можеше да обясни това, но въпреки това тази работа му донесе световна слава.
Експериментът е проведен през 1888 г. Тогава са направени фундаментални изследвания от много учени като Планк, Айнщайн и др.
Схемата на експеримента беше следната: електрометър с положително заредена цинкова плоча, прикрепена към него, когато плочата е осветена, например с електрическа дъга, не влияе на скоростта на разреждане на електрометъра. Но ако плочата е заредена отрицателно, тогава светлинният лъч от дъгата разрежда електрометъра много бързо.
Има само един начин да се обясни това. Светлината изтегля електрони от повърхността на плочата. Ако е отрицателно зареден, електроните се отблъскват от него и електрометърът се разрежда. Когато плочата е положително заредена, електроните, изхвърлени от светлината, се привличат към плочата и отново се установяват върху нея. Следователно зарядът на електрометъра не се променя. Въпреки това, когато обикновено стъкло се постави на пътя на светлината, отрицателно заредената плоча вече не губи електрони, независимо от интензитета на радиацията. Тъй като е известно, че стъклото абсорбира ултравиолетовите лъчи, от това може да се заключи, че именно ултравиолетовата част от спектъра причинява фотоелектричния ефект. Този самТози прост факт не може да бъде обяснен въз основа на класическата електромагнитна теория на светлината. Според тази теория изтласкването на електрони е резултат от тяхното "люлеене" в електромагнитното поле на светлинна вълна, което трябва да нараства с увеличаване на интензитета на светлината и пропорционалната на него енергийна осветеност на фотокатода.
Планк, разглеждайки излъчването на напълно черно тяло, стигна до извода, че формулата на излъчване, сравнявайки работата си с формулата на Виена. Между другото, Планк спечели Нобелова награда за тази формула. Развивайки идеите на Планк, Айнщайн въвежда хипотезата за светлинните кванти, според която самото електромагнитно излъчване се състои от такива кванти, и въз основа на нея обяснява и формулира редица закони на фотоелектричния ефект, луминесценцията и фотохимичните реакции. За наистина брилянтната си работа Айнщайн получава Нобелова награда през 1921 г. Негови творби са удостоени с много други почетни награди.
Първият закон гласи, че броят на електроните, изхвърлени от повърхността на метал за една секунда, е право пропорционален на енергията на светлинната вълна, абсорбирана през това време. В това няма нищо неочаквано: колкото по-голяма е енергията на светлинния лъч, толкова по-ефективно е неговото действие.
Сега разгледайте кинетичната енергия на светлинна вълна или скоростта на електроните. Опитът показва, че при липса на напрежение фотоелектроните достигат до десния електрод. Ако промените полярността на батерията, тогава се образува определено поле, което ще забави електроните и ще ги върне на мястото им, тоест при определено напрежение на забавяне фототокът е нула. Допълнителни експерименти доказаха, че когато интензитетът на светлината се промени, забавящото напрежение не се променя. От това може да се намери стойността на кинетичната енергия на електроните.
Втори закон -Максималната кинетична енергия на фотоелектроните нараства линейно с честотата на светлината и не зависи от нейния интензитет.Ако честотата на светлината е по-малка от минималната честота, определена за дадено вещество, тогава фотоелектричният ефект не възниква. Тази минимална честота се нарича червена граница. Защо червено, а не зелено? Факт е, че ако вземем предвид спектъра на видимото електромагнитно излъчване, тогава червената светлина има най-ниската честота. Според формулата hv той има най-малката енергия, тоест най-малката енергия, необходима за преодоляване на силите, задържащи интерстициалния електрон на повърхността, се нарича червена.
Айнщайн направи смелата хипотеза, че светлината има двойна структура, тя се държи едновременно като поток от частици и като вълна. Той също така изложи хипотезата, че светлината не само се излъчва под формата на отделни дискретни кванти, но също така се разпространява в пространството и се поглъща от материята. В този случай интерстициалният електрон получава енергията на фотона.
При много висок интензитет на светлината, постижим с лазери, се наблюдавамногофотоненилинелинеен фотоелектричен ефект.С многофотонния фотоелектричен ефект един електрон може едновременно да получи енергията не на един, а на N фотона.
Според теорията на Айнщайн фотоелектричният ефект има следното обяснение: поглъщайки квант светлина, електронът придобива енергия E=hn. Когато напуска метала, енергията на всеки електрон намалява с определена стойност, която се нарича работна функция A. Работата е работата, която трябва да бъде изразходвана, за да се отстрани електрон от метала. Следователно максималната кинетична енергия на електроните след напускане (ако няма други загуби) е равна на:
mv 2 /2 = hn - A изх.
hn \u003d A out + mv2 / 2.
Това уравнение се нарича уравнениеАйнщайн.
Всички резултати от работата допринесоха и дори отвориха нова врата към физиката или по-скоро квантовата физика. И по-голямата част от заслугата за това е на Айнщайн.
Макс Борн каза: „Идеите на Айнщайн дадоха на физическата наука импулс, който я освободи от остарелите философски доктрини и я превърна в една от решаващите сили на съвременния свят на хората“
Откриването на фотоелектричния ефект беше от голямо значение за по-задълбочено разбиране на природата на светлината. Но ценността на науката се състои не само в това, че тя ни дава средствата, чрез които можем да подобрим производството, да подобрим условията на материалния и културния живот на обществото.
С помощта на фотоелектричния ефект киното „проговори” и стана възможно предаването на движещи се изображения (телевизия). Използването на фотоелектронни устройства направи възможно създаването на машинни инструменти, които без човешка намеса произвеждат части според определени чертежи. Устройствата, базирани на фотоелектричния ефект, контролират размерите на продуктите по-добре от всеки човек, включват навреме маяци и улични светлини. Всичко това стана възможно благодарение на изобретяването на специални устройства - фотоклетки.
Модерна вакуумна фотоклетка е стъклена колба, част от вътрешната повърхност на която е покрита с тънък слой метал с ниска работна функция (червена граница). Това е катодът, върху който пада светлина през прозрачен прозорец. В центъра е анодът, който служи за улавяне на фотоелектрони. Анодът е свързан към положителния полюс на батерията. Фотоклетките реагират на видима радиация и дори на неинфрачервени лъчи. На тяхна основа се правят машини, които могат да предотвратят инциденти. В завода фотоклетките се спират почти моментално от мощна преса, ако ръката на човек е в опасната зона.
Що се отнася до фотохимичните реакции, тованаправена снимка.
Обяснението на фотоелектричния ефект не е единствената заслуга на Айнщайн. Известен е и със своята теория на относителността. Специалната теория на относителността (particular relativity) е съвременна физическа теория за пространството и времето. Специалната теория на относителността и квантовата механика служат като теоретична основа на съвременната физика и техника (например: ядрена физика, технология). Специалната теория на относителността често се нарича релативистка теория, а специфичните явления, описани от тази теория, се наричат релативистични ефекти. По правило релативистичните ефекти се проявяват при скорости на телата, близки до скоростта на светлината във вакуумc=10 m/s и се наричат релативистични скорости. Релативистката механика е механиката на движенията с релативистични скорости, основана на специалната теория на относителността.
В специалната теория на относителността, точно както в класическата Нютонова механика, времето се приема за хомогенно, докато пространството е хомогенно и изотропно.
Първият постулат е обобщение на механичния принцип на относителността на Галилей за всякакви физически процеси. Този постулат - релативисткият принцип на относителността на Айнщайн, казва: във всяка инерционна отправна система всички физически явления при едни и същи условия протичат по един и същи начин. С други думи, физическите закони са независими по отношение на избора на инерционна отправна система. Вторият постулат изразява принципа на инвариантността на скоростта на светлината. Той е еднакъв във всички посоки и във всички инерционни отправни системи, като е една от най-важните физически константи. Експериментите показват, че скоростта на светлината във вакуум е граничната скорост в природата.
Алберт Айнщайн е бил много гъвкав в животачовек (като всички гениални хора).
Неговите предци - еврейски емигранти, се преселват във Вюртенберг през 16 век.
Бащата на физика, Херман Айнщайн, се отличава с математическите си способности, но родителите му нямат средства да му дадат висше образование. Майка, Паулина Айнщайн - Кох, беше музикално надарена жена, дъщеря на богат търговец на зърно, музикалността и математиката на майката на бащата не само се предават на сина й, но и се проявяват много по-ясно в него.
От детството момчето развива дълбока любов към природата, по-късно Алберт Айнщайн винаги обичаше да живее в провинцията или в провинциалните градове.
Още като ученик в Мюнхен Айнщайн учи музика. От шестгодишна възраст го учат да свири на цигулка. В началото момчето възприема тези уроци като скучно задължение, но скоро музиката го увлича и с течение на времето се превръща във второто му призвание. Отивайки на всякакви пътувания, Айнщайн взе цигулка със себе си, дори за първи път се появи на среща на Берлинската академия на науките с кутия за цигулка.
Албертел, както го наричаха родителите му, обикновено се държеше настрана от връстниците си в училище. Най-много обичаше да работи сам с кубчетата си или да реже с прободния трион. Понякога пишеше стихотворения, в които говореше с подигравка за плахи, плахи хора (самият той не беше от тях). Дори преди Айнщайн да влезе в училище, баща му веднъж му подари компас. Този прост предмет събуди любопитството на момчето с неочаквана сила, външният вид на нещата криеше нещо дълбоко скрито в пространство, което обикновено се смята за празно. Въпреки че запознаването с компаса принадлежи към онзи период от живота на великия изследовател, когато той все още беше далеч от науката, той имаше силно влияниевъздействие върху последващи дейности. Алберт Айнщайн беше прагматичен и дори алчен човек. Това се доказва и от факта, че хората, които идват на гости, отваряйки портата, задействат определен механизъм, който напоява градината на изобретателя.
Научната дейност на Алберт Айнщайн е поразително съчетана с активна дейност в името на хуманизма и защитата на мира. Айнщайн буквално е основател на държавата Израел, дори е поканен да стане владетел на тази държава, но той отказва.