Семиков С.А. "Столетов и фотоэффект". Журнал история фотоэффекта

Открытие Столетова. Фотоэффект и фотоэлемент

История зарождения телевидения

Содержание.

Содержание. 1

Введение. 2

Открытие Столетова. Фотоэффект и фотоэлемент. 2

Принцип отображения изображения. 3

Механическая развертка. 4

Изобретение электронной развертки. 6

Ученик. 7

История мечтателя. 8

Первые шаги Зворыкина в США. 8

Дэвид Сарнов. 9

Эдвин Армстронг. 9

Кинескоп и Иконоскоп. 10

Изобретение «анализатора изображения». Файло Фарнсуорт. 11

Радиовизионный передатчик. Передачи BBS. 12

Коммерческое телевидение в США. Телевидение в доме. 12

Телевидение и Вторая Мировая война. 13

Разработка телевидения в СССР. 13

Вместо эпилога. 15

Список литературы. 16

Введение.

С

Рисунок 1. История создание электронных трубок

овременный житель планеты воспринимает телевизор в своем доме как бытовой электроприбор (сродни холодильнику или стиральной машине), функция которого - создавать приятное удобство для наблюдения за происходящими в мире событиями, принимая передачи с ближайшего телецентра или спутника-ретранслятора. Однако, подумав немного, нельзя не признать телевидение выдающимся изобретением XX века. И тогда может возникнуть вопрос: кто, где и когда изобрел это чудо?

Мы рассмотрим период становления телевидения с изобретения Столетовым фотоэлемента, вплоть до начала 60-х годов. Познакомимся с людьми, которых можно считать основоположниками телевидения, судьбы которых неразрывно связаны с историей развития телевизионной техники и телевидения.

Открытие Столетова. Фотоэффект и фотоэлемент.

Преобразование оптического сигнала в электрический основывается на явлении фотоэффекта. Впервые прямое влияние света на электричество было обнаружено немецким физиком Г. Герцем во время его опытов с электроискровыми вибраторами. Герц установил, что заряженный проводник, будучи освещен ультрафиолетовыми лучами, быстро теряет свой заряд, а электрическая искра возникает в искровом промежутке при меньшей разности потенциалов. Замеченное явление было описано Герцем в его статьях 1887-1888 годов, но оставлено им без объяснения, так как физическую природу его он не знал. Не сумели правильно объяснить действие света на заряды и немецкий физик Гальвакс, и итальянский физик Риги, и английский физик Лодж, который, демонстрируя в 1894 году опыты Герца в своей знаменитой лекции "Творение Герца", лишь предположил химическую природу явления. И это неудивительно: электрон будет открыт Джозефом Джоном Томсоном лишь в 1897 году, а без упоминания об электроне объяснить фотоэффект невозможно.

О

Рисунок 2. Александр Григорьевич Столетов

днако 26 февраля 1888 года заслужено считается одним из замечательнейших дней в истории науки и техники и, в частности, телевидения. В этот день великий русский ученый Александр Григорьевич Столетов (1839-1896) блестяще осуществил опыт, наглядно продемонстрировавший внешний фотоэффект и показавший истинную природу и характер влияния света на электричество.

Первые опыты со светом А.Г. Столетов проводил с обычным электроскопом. Освещая электрической дугой Петрова цинковую пластину, заряженную отрицательно и соединенную с электроскопом, он обнаружил, что заряд быстро исчезал. Положительный же заряд не уничтожался, вопреки имевшемуся утверждению Риги.

Для постановки точных опытов Столетов создал экспериментальный прибор, ставший

п

Рисунок 3. Экспериментальный прибор Столетова

рообразом современных фотоэлементов. Прибор состоял из двух плоскопараллельных дисков, один из которых был сетчатый и пропускал световые лучи. К дискам подводилось напряжение от 0 до 250В, причем к сплошному диску подключался отрицательный полюс батареи. При освещении сплошного диска ультрафиолетовым светом включенный в цепь чувствительный гальванометр отмечал протекание тока, несмотря на наличие воздуха между дисками. Продолжая опыты, А.Г.Столетов установил зависимость фототока от величины напряжения батареи и интенсивности светового пучка. Дальнейшие работы привели к созданию первого в мире фотоэлемента, представлявшего собой стеклянный баллон с кварцевым окном для пропускания ультрафиолетовых лучей. Внутрь баллона помещались электроды, один из которых был чувствителен к свету, газ откачивался. Современные фотоэлементы отличаются от первого лишь конструкцией электродов и их структурой.

Фотоэффект - явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием света - был назван А.Г. Столетовым актино-электрическим разрядом. Электронная природа фотоэффекта была показана в 1899 году Дж.Дж. Томсоном и в 1900 году Ленардом, а полное объяснение было дано лишь в 1905 году А. Эйнштейном на основе квантовой теории. Сам же чувствительный к свету фотоэлемент был назван современниками "электрическим глазом".

К

Рисунок 4. Фотоэлемент Столетова

ак развитие фотоэлемента в 1934 году советским инженером Кубецким и, независимо, американцем Фарнсвортом был сконструирован фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), работа которого основана на использовании вторичных электронов, выбиваемых с анодов прибора вначале светом, а затем падающими на аноды первичными электронами. Таким образом, ФЭУ сочетает в себе фотоэлемент и усилитель с коэффициентом усиления в несколько миллионов единиц.

От "электрического глаза" до современного телевизора огромный путь, на котором нужно было решить три задачи: преобразовать изображение в последовательность электрических сигналов, передать их на большое расстояние и сделать обратное преобразование в приемном устройстве. Для передачи сигналов на большие расстояния идеально подошло радио, достигшее в 20 веке высокого уровня развития, а вот по созданию преобразовательных систем путь был пройден длинный и сложный.

Принцип отображения изображения.

Шведскому химику Йёнсу Якобу Берцелиусу, открывшему в 1817 году элемент селен, и в голову не могло прийти, что его открытие станет первой вехой на пути к телевидению. Между тем, это именно так: спустя 50 лет было замечено особое свойство селена и некоторых других материалов изменять свое электрическое сопротивление при освещении. Чем ярче свет, падающий на селеновую пластинку, тем легче она проводит ток.

Е

Рисунок 5. Берцелиус Йёнс Якоб

сли из маленьких кусочков селена сделать мозаику, соединить проводами каждый кусочек с маленькой лампочкой, спроецировать на мозаику изображение и пустить по проводам ток, то лампочки, соединенные с более освещенными кусочками мозаики, будут гореть ярче, а соединенные с затемненными участками - тусклее. Получим изображение, удаленное от оригинала на длину проводов. Впервые такое решение предложил американец Джордж Кэрри в 1880 году, но оно никогда не было осуществлено: уж больно громоздким было бы сооружение при более или менее значительном количестве элементов мозаики. Нужно было искать какой-то другой путь.

Еще в 1833 году бельгийский физик Жозеф Плато наклеил на периферию диска рисунки, запечатлевшие последовательные позы танцующей балерины, и стал вращать диск перед окошком, в котором помещалось лишь одно изображение. Когда диск вращался с какой-то определенной скоростью, зритель видел в окошке балерину, плавно исполнявшую свой танец. Так была открыта важная особенность человеческого зрения - его инерционность, то есть свойство "видеть" какое-то короткое время изображение, когда его уже на самом деле не существовало: предыдущее изображение балерины "сцеплялось" с последующим без зазора, глаз не успевал заметить промежутка между ними.

Инерционность зрения использовали создатели кинематографа: сидя в кинотеатре, мы не замечаем, что на экране каждую секунду сменяют друг друга 24 неподвижных изображения, а напряженно следим за погоней или сочувствуем страданиям любимой актрисы. А для того, чтобы на экране все было так, как в жизни, нужно, чтобы съемка

происходила с той же скоростью 24 кадра в секунду.

Механическая развертка.

Ч

Рисунок 6. Схема построчной развертки

тобы выйти из тупика, изобретатели, работавшие над созданием "дальновидения", тоже воспользовались инерционностью зрения, но пошли еще дальше, применив принцип "развертывания" изображения. Представьте себе, что вы сидите перед экраном в том же зале, но на экран падает не тот широкий пучок света, который несет изображение кадра целиком, а тонкий луч, который с огромной скоростью пробегает по экрану так же, как взгляд наших глаз пробегает страницу книги, строчку за строчкой. Луч все время меняет свою яркость: в одних местах экрана светлеет, в других темнеет, и из-за инерционности зрения мы увидим то же, что и в кино: изображение во весь экран. А если скорость пробегания луча по экрану намного больше, чем скорость смены кадров, эффект движения тоже сохранится.

Вырисовывалась такая схема телепередачи: изображение оптически проецируется на селеновую пластинку, но не все сразу, а лучом построчно; через пластинку проходит ток, который пульсирует в соответствии с изменением освещенности пластинки; пульсирующий ток передается на источник света, яркость которого меняется при пульсации тока; луч от этого источника «бегает» по экрану с той же скоростью и по такому же шаблону, что и луч, "развертывающий" изображение-оригинал.

Преимущества такой схемы были очевидны, остановка была за малым: перейти от идеи к ее реальному воплощению. В 1884 году немецкий инженер (вернее, будущий инженер - тогда он был еще студентом) Пауль Нипков запатентовал устройство "электрический телескоп", в котором для "развертывания" изображения были применены диски с отверстиями, расположенными по спирали. При вращении диска отверстие у периферии пробегало верхнюю "строчку" изображения, следующее отверстие, расположенное чуть ближе к центру, - вторую строчку и т. д. За один оборот диска "разворачивалось" все изображение.

Когда Пауль Нипков сделал свое открытие, он был студентом, совсем молодым человеком. Патент на изобретение ему удалось получить не сразу. По окончании университета он начал работать в управлении железных дорог, где занимался конструированием сигнальных систем. И многие из его изобретений в этой области также были запатентованы, прежде всего - системы аварийной сигнализации. Но главным его открытием, безусловно, оказалось, как потом называли, механическое телевидение.

Пр

Рисунок 7. Передающая камера с диском Нипкова на 30 строк

инцип сканирования с помощью диска Нипкова стал основой для телевизионной системы шотландского ученого Джона Бэрда, который в 1926 году впервые продемонстрировал публике передачу изображения и воспроизведения его на экране. Телевизионная система шотландского ученого Джона Бэрда очень отличалась от современного телевидения. Она была основана на механической системе сканирования с использованием металлического диска с отверстиями - изобретения Пауля Нипкова. Достоинство системы Бэрда заключалось в том, что из-за очень малой разрешающей способности экрана можно было передавать телевизионное изображение, используя обычную средневолновую радиосистему. Бэрд мог передавать изображение, используя радиосистему компании BBS. И все это происходило в середине 20-х годов.

Бэрд первым в мире продемонстрировал телевизионное изображение, которое, однако, было размером примерно с почтовую марку. Оно было очень слабым и мерцающим, с очень невысокой разрешающей способностью. Многие ученые, знакомые с системой Бэрда, отмечали, что ее нельзя было усовершенствовать в рамках самой этой системы без изменения фундаментальных технологических принципов работы телевидения.

Любопытно, что Бэйрд назвал свой прибор “телевизором”, и это воистину был телевизор (в смысле — передатчик изображения), а не современный “телеприемник”. Бэйрд продемонстрировал свой прибор в одном из лондонских универмагов в Сохо. Но изобретателю не удалось добиться передачи полутонов, и на экране были видны лишь силуэты вместо лиц. В 1926 году неутомимый шотландец сделал повторную попытку — на сей раз публика, присутствовавшая на первом публичном телесеансе в истории, была потрясена. Спустя еще два года Бэйрд впервые создал действующую модель цветного телевизора — за 30 лет до его широкого практического использования (в 1929 году экспериментальная телевизионная передача в цвете была проведена и сотрудниками американской компании Bell).

Диски Нипкова оказались удивительно живучими: они использовались в ранних телевизионных передачах вплоть до начала 30-х годов. В дисках было 30 отверстий, что соответствовало 30 строкам развертки, а для того, чтобы получить четкое изображение, необходимо иметь в 20 раз больше строк. Поскольку при этом диск увеличивался до совершенно неприемлемых размеров, все отчетливей проявлялась тупиковость направления, базировавшегося на механической развертке изображения.

Изобретение электронной развертки.

Между тем еще в 1907 году российский ученый Борис Львович Розинг предложил использовать для развертки катодно-лучевую трубку, изобретенную за 10 лет до этого немецким физиком Карлом Брауном и применявшуюся в осциллографах. Невесомый электронный луч в этой трубке можно было заставить «пробегать» по "строчкам" изображения с огромной скоростью. Будучи преподавателем Петербургского Технологического института, Борис Львович Розинг запатентовал систему "катодной телескопии", предложив для преобразования электрических сигналов в видимое изображение электронно-лучевую трубку. 9 мая 1911 года Розинг продемонстрировал свое изобретение коллегам и вскоре был удостоен Золотой медали Российского технического общества. Историки телевидения, в том числе и американские, единодушно утверждают, что патент Розинга сыграл основополагающую роль в создании современного телевидения, а его приоритет признан во всем мире.

Рисунок 8. Борис Львович Розинг

Принцип работы катодной трубки Розинга стал основой для изобретения более совершенных устройств передачи изображений. В этой трубке вместо механического диска, который, как предвидел Розинг, не мог позволить увеличить качество изображения, тоесть разрешение или количество строк на экране, использовался электронный луч (или электронный пучок), который направлялся системой электродов – катодов, отклоняющих электронный пучок на нужное расстояние. Что позволяло засветить лучом мишень с большей точностью и за меньший промежуток времени.

Выдающийся ученый, профессор Розинг разделил участь многих замечательных российских интеллигентов: в 1931 году во время очередной сталинской "чистки" он был арестован и выслан на 3 года в Архангельск, но не дожил до окончания срока и умер в 1933 году от кровоизлияния в мозг. Ему не удалось довести до конца задуманное. Это сделал в Соединенных Штатах его ученик Владимир Зворыкин.

Рисунок 9. Схема трубки Розинга

Ученик.

Б

Рисунок 10. Зворыкин Владимир Козьмич

иография Зворыкина настолько она богата событиями и неожиданными поворотами. Владимир Козьмич Зворыкин родился 30 июля 1889 года в Муроме, в семье купца первой гильдии, видного пароходовладельца Козьмы Алексеевича Зворыкина. Закончив в 1906 году реальное училище, Владимир поступил в Петербургский университет, но затем по совету отца перевелся в Технологический институт. Будущее показало, что решение было правильным. Профессор Розинг обратил внимание на любознательного и способного студента и предложил ему поработать вместе.

В 1912 году молодой исследователь с отличием закончил институт и отправился в Париж продолжать учебу в College de France у знаменитого физика Поля Ланжевена. Занятия пришлось прервать: началась Первая мировая война. Зворыкин вернулся на родину и был призван в армию, в войска связи. Сначала он служил в Гродно, затем попал в Петроград, в военную школу, и чуть было не стал жертвой революционных событий. По жалобе его вызвали в суд. Солдат жаловался, что тот над ним "издевается": заставляет подолгу повторять в "дырочку" цифры, а сам в это время копается в каком-то аппарате. Суд разобрался в нелепости обвинений и отпустил офицера- изобретателя с миром, но Зворыкин понял, что заниматься исследовательской работой ему не удастся, и решил вернуться в действующую армию.

Он попал в местечко Бровары под Киевом. Армия бурлила, на общефронтовых митингах Зворыкин представлял свою часть. Однажды он возвращался с митинга на поезде и увидел, что в соседних вагонах разоружают и арестовывают офицеров. Не медля ни минуты, он выпрыгнул на ходу из окна вагона и скатился по крутому откосу в кустарник. Вдогонку раздалось несколько выстрелов, не причинивших вреда беглецу.

Зворыкин уехал в Москву. К власти пришли большевики, все бывшие офицеры должны были явиться в комиссариат для призыва в Красную Армию. Перспектива участвовать в гражданской войне никак не привлекала Зворыкина, в комиссариат он не пошел и, узнав о предстоящем аресте, срочно выехал из Москвы. Он решил пробиваться в Омск: там ему незадолго до этого предлагали работу по оборудованию радиостанции с командировкой в США. С большим трудом он добрался до Екатеринбурга, где его арестовали и посадили в тюрьму до выяснения личности. Но ему повезло: в город вошли части чехословацкого корпуса, Зворыкин оказался на свободе и попал, наконец, в Омск.

Омск в это время был столицей независимой Сибири и нуждался в современной радиосвязи. Молодого радиоспециалиста снабдили необходимыми бумагами и снарядили в деловую поездку в США, где он должен был закупить новейшее оборудование. Выбраться из Омска можно было только на север, и Зворыкин отправился пароходом по Иртышу и Оби к Карскому морю, а затем на ледоколе - в Архангельск, оккупированный войсками Антанты. Через Норвегию, Данию и Англию он накануне 1919 года добрался до США.

Америка давно привлекала Зворыкина: он понимал, что именно здесь он сможет продолжить дело, начатое под руководством Розинга. Но ему было неловко перед Сибирским правительством, которое ему поверило, и он вернулся в Омск. Здесь он отчитался по прежним поручениям, получил новые и в том же 1919 году вновь отправился в Америку, на этот раз навсегда, так как убедился, что дни Сибирского правительства сочтены.

История мечтателя.

Первые шаги Зворыкина в США.

С большим трудом Зворыкин устроился в лабораторию фирмы Westinghouse Electric в Питтсбурге и принялся за воплощение идей электронного телевидения. К 1923 году он изготовил устройство с оригинальной передающей трубкой, но оно было еще очень несовершенно и не впечатлило руководителей фирмы. "Займитесь чем-нибудь более полезным", - сказали они ему. Зворыкину пришлось подчиниться, но чуть ли не подпольно он продолжал работать над увлекавшими его идеями и в 1929 году запатентовал кинескоп диагональю в 9,5 дюймов1 - приемную электронно-лучевую трубку, основные черты которой сохранились до сих пор в телевизионных приемниках.

К этому времени его положение стало прочнее: в 1924 году он стал американским гражданином, через два года защитил докторскую диссертацию в Питтсбургском университете. А в 1929 году ему опять повезло: он встретил человека, который сразу же оценил перспективность его работ. Этим человеком был Дэвид Сарнов.

Дэвид Сарнов.

Они были примерно одного возраста - Дэвид на 2 года моложе - и оба говорили по-русски: родители вывезли 9-летнего Дэвида в Америку из местечка Узляны под Минском. В 1906 году Дэвид, работая радиооператором, познакомился со знаменитым изобретателем радио Гулиельмо Маркони и стал его помощником. Имя Дэвида Сарнова стало широко известным после трагической гибели "Титаника", породившей "легенду Сарнова": будто бы именно он поздним вечером 14 апреля 1912 года первым принял сигнал бедствия с тонущего корабля и оставался у приборов 72 часа, принимая и передавая новости. На самом деле Сарнов услышал информацию о катастрофе лишь утром следующего дня, но, действительно, принимал от других, менее мощных радиостанций и передавал в газету информацию об оставшихся в живых пассажирах. "Гибель "Титаника" продвинула вперед радио - и меня тоже", - говорил впоследствии Сарнов.

К

Рисунок 11. Дэвид Абрамович Сарнов

арьера Дэвида Сарнова развивалась стремительно: в 1919 году он стал коммерческим менеджером, а затем и генеральным менеджером вновь созданной Radio Corporation of America (RCA). Еще 3 года назад он стал говорить о том, что радио должно быть не только средством связи - "беспроволочным телеграфом", но и важным средством самообразования и развлечений. "У меня есть план, - писал он, - который может сделать радио такой же полезной домашней вещью, как пианино или фонограф... приемник может быть сконструирован в виде простого радиомузыкального ящика и настроен на различные длины волн". Тогда реализацию этой идеи пришлось отложить: Америка вступила в полыхавшую в Европе войну. Но теперь он вернулся к "музыкальному радиоящику" - радиоприемнику, который, по замыслу Сарнова, должен был стоять в каждой квартире. Осуществить замысел Сарнову помог Эдвин Армстронг, человек, которого считают одним из самых выдающихся изобретателей в радиотехнике.

Эдвин Армстронг.

Их знакомство началось в 1914 году. Армстронг пригласил молодого служащего компании American Marconi к себе в лабораторию, предложил вооружиться наушниками и включил свою установку. Изумленный Дэвид отчетливо услышал "морзянку" из Гонолулу - сигнал неведомого радиотелеграфиста, находившегося за тысячи километров от Нью-Йорка. Сарнов тотчас же сообщил начальству об изобретенной Армстронгом "самой замечательной приемной системе из всех существующих" - регенеративном приемнике.

Они подружились. К моменту, когда Сарнов задумал осуществить идею "музыкального ящика", у Армстронга, продолжавшего совершенствовать систему радиоприема, на столе стояло его недавно воплощенное выдающееся изобретение - супергетеродинный приемник2, позволявший вести прием без наружной антенны. Сарнов уговорил совет RCA купить патент, и Армстронг в одночасье стал миллионером.

Технические вопросы "музыкального ящика" в основном были решены, оставалось заинтересовать в нем потенциального потребителя, а для этого нужно было нечто такое, что заставило бы американца почувствовать: да, такую штуку хорошо бы иметь дома. И Сарнов, отлично знавший американского обывателя, это "нечто" нашел. Он организовал широкую радиотрансляцию матча между боксерами - американцем Джеком Дампси и французом Жоржем Карпентье. Победил американец, и победил Сарнов: в последующие 3 года корпорация RCA продала свыше миллиона радиоприемников.

А Армстронг не унимался: его изобретательский гений выдал "на-гора" новое замечательное достижение - систему частотной модуляции (FM), которая позволяла очистить звук от помех, присущих системе амплитудной модуляции (АМ). Мы и сейчас отчетливо ощущаем разницу в качестве звучания наших радиоприемников, когда переключаемся с АМ на FM. Армстронг видел в системе FM будущее радиовещания и, понимая, что самому ему не осилить огромную работу по перестройке радиостанций, обратился за помощью к своему другу Дэвиду. Но Сарнов ему не помог: им полностью завладело его новое увлечение - телевидение.

Кинескоп и Иконоскоп.

Америка до сих пор спорит о том, кого считать "отцом телевидения", и многие полагают, что это звание вполне заслужил Дэвид Сарнов. Он предложил Зворыкину перейти в RCA и, когда тот согласился, создал ему прекрасные условия для работы, назначив его руководителем исследовательской лаборатории. Генеральный менеджер, а через год - президент RCA, Сарнов регулярно наведывался в лабораторию Зворыкина в Нью-Джерси, и не как босс, а как человек, способный работать рядом с исследователями.

З

Рисунок 12. Кинескоп Зворыкина

ворыкинская приемная трубка - кинескоп - работала удовлетворительно, а вот с передающей трубкой были проблемы. Трудность состояла в том, что при развертке передаваемого изображения свет воздействует на светочувствительный слой очень кратковременно - миллионные доли секунды. Возбуждаемый при этом заряд оказывается ничтожно малым, усилить его до величины, необходимой для передачи, было чрезвычайно трудно. Зворыкин задался целью создать трубку с накоплением заряда, и в 1931 году такая трубка была создана. В этом Зворыкину помог еще один эмигрант, Григорий Оглоблинский, работавший над той же проблемой в Париже. Зворыкин пригласил его в Америку, и они вместе довели до ума идею передающего электронно-лучевого прибора с накоплением электрического заряда на мозаичных светочувствительных мишенях. Изобретатель назвал ее "иконоскопом", от греческих слов "икон" - "образ" и "скоп" - "видеть". Иконоскоп и кинескоп стали основными узлами работоспособной электронной системы телевидения.

Изобретение «анализатора изображения». Файло Фарнсуорт.

В это же время в Сан-Франциско над электронным телевидением работал другой американский изобретатель, которого звали Файло Тэйлор Фарнсуорт. Он родился в 1906 году в Юте в семье мормонов3 и еще в детстве решил стать изобретателем. Он мечтал о том, чтобы так же, как звук, передавать по радио изображение. Судьба была неблагосклонна к нему, он не смог получить основательного образования, но имел хорошие руки и светлую голову. Перебравшись из родного штата в Калифорнию, он уговорил нескольких банкиров ссудить ему денег на создание телевизионной системы. В 1927 году молодой изобретатель разработал передающую электронно- лучевую трубку "анализатор изображения" (image dissector), которую он присоединил к уже существовавшему приемному устройству и пригласил банкиров посмотреть чудо телевидения. Все, что они увидели, было слабое изображение треугольника на светлом фоне. Банкиры не пришли в восторг: они вложили в дело большие деньги и хотели знать, когда они смогут продавать систему и получать прибыль. "Мы когда-нибудь увидим на экране хотя бы доллар?" - спросил один из них. Через несколько месяцев Фарнсуорт показал им четкое изображение доллара, а еще позже - кинематографическую версию шекспировской пьесы "Укрощение строптивой" с Мэри Пикфорд и Дугласом Фербенксом в главных ролях.

В 1930 году к Фарнсуорту приехал Зворыкин. Хозяин продемонстрировал гостю свой анализатор, и тот, к большому удовольствию автора, признал его превосходным. Однако впоследствии, когда Фарнсуорт ознакомился с иконоскопом, он нашел в себе мужество признать, что разработка Зворыкина была лучше, чем его собственная: анализатор не накапливал заряд, при очень хорошей освещенности изображение было прекрасным, но по чувствительности анализатор значительно уступал иконоскопу. Тем не менее корпорация RCA, видя в Фарнсуорте конкурента, предложила ему продать ей его патентные права. Фарнсуорт был зажат в долговых тисках и пошел на продажу лицензии. Обе передающие трубки применялись в телевизионных системах еще долго, до создания более совершенных устройств: иконоскоп - в передачах кинофильмов, анализатор - в промышленном телевидении.

А Фарнсуорт основал собственную радиотелевизионную компанию и продолжал совершенствовать свои разработки. Но тягаться с могущественной RCA ему оказалось не под силу. После смерти своего малолетнего сына он посвятил несколько лет разработке электронных приборов для медицины, затем некоторое время работал консультантом по электронике и занимался исследованиями в области атомной энергии, а по окончании войны вернулся к своим мормонским корням и поселился в Юте.

Радиовизионный передатчик. Передачи BBS.

В 1928 году продемонстрировала “радиовизионный” передатчик W3XK и фирма Jenkins Laboratories, основанная переехавшим из Англии Дженкинсом: 2 июля начались первые регулярные передачи “радиофильмов” на города Восточного побережья США. В том же году в Германии Нипков осуществил первую передачу изображения по проводам, а еще через два года на выставке в Берлине изобретатель обошелся без них.

Однако жители Великобритании еще долго хранили верность Бэйрду. В 1928 году он провел первую трансатлантическую телевизионную передачу, в сентябре следующего начала регулярные телепередачи вещательная корпорация ВВС, используя передатчики Бэйрда.

Телевидение признали быстро. Еще в 1926 году сам изобретатель триода Ли де Форест мог себе позволить заявления типа: “Хотя теоретически и технически телевидение может быть построено, с коммерческой и финансовой точек зрения я считаю его невозможным. Это из тех открытий, что достойны лишь нескольких часов праздных мечтаний”. Десятилетие спустя никто не подвергал сомнению коммерческое значение телевидения. А также политическое.

Десятилетие открылось первой спортивной телетрансляцией: в 1931 году ВВС транслировала финальные заезды на скачках в Дерби. В 1936-м телезрители на обоих берегах Атлантики могли наблюдать уже открытие Олимпийских игр в Берлине. Однако на сей раз трагическая ирония заключалась в том, что одной из первых телевизионных картинок, посланных человечеством в эфир через континенты, была речь Гитлера. И наконец, на исходе десятилетия, 1 сентября 1939 года, в Великобритании важное правительственное сообщение — война! — впервые прозвучало также с телеэкрана. И в данном случае не обошлось без иронической ухмылки истории. Детский мультик про Микки-Мауса на канале той же ВВС прервался на фразе мышонка: “Кажется, нам пора сваливать”.

Коммерческое телевидение в США. Телевидение в доме.

Зворыкин же, под опекой Сарнова, успешно доводил телевидение до коммерческого уровня. Пришло время подумать о звуковом сопровождении изображения, и Сарнов вспомнил об изобретении Армстронга. Он предложил ему миллион долларов за право использовать его систему FM, но Армстронг с негодованием отверг предложение, посчитав сумму обидно незначительной. Прежней дружбе пришел конец. Для проведения с

Рисунок 13. Empire State Building

обственных исследований глава RCA выселил Армстронга с крыши Empire State Building, где ему было предоставлено место для испытаний. Упрямый Армстронг за свои деньги построил радиостанцию, передававшую в системе FM классическую музыку. Когда же инженеры RCA стали применять для телевидения свою систему FM, разработанную в обход патента Армстронга, тот затеял с корпорацией многолетнюю тяжбу.

В октябре 1938 года Сарнов объявил о том, что "телевидение в доме стало технически осуществимым", а 20 апреля 1939 года, стоя перед телекамерой у павильона RCA на Нью- Йоркской всемирной выставке, он сказал: "Теперь мы к звуку добавляем радиоизображение". Репортажем с открытия выставки организованная Сарновым радиовещательная компания NBC начала ежедневные телепередачи.

Телевидение и Вторая Мировая война.

В

Рисунок 14. Владимир Козмичь Зворыкин на фоне своих изобретений

торая мировая война прервала работу над совершенствованием телевидения. Зворыкин переключился на военную тематику, и здесь его успехи были впечатляющими. В 1944 году нью- йоркская газета "Россия" писала о том, что успешная бомбардировка Берлина в условиях густого тумана стала возможной благодаря приборам Владимира Зворыкина, которые позволяли летчикам отчетливо видеть цель.

Дэвид Сарнов попросился в действующую армию и был назначен главным советником Корпуса связи Армии США. Когда Эйзенхауэр стал готовиться к "дню D" - высадке десанта союзных войск во Францию, он сделал Сарнова своим помощником, поручив ему организацию радиокоммуникаций. Сарнов блестяще справился с трудной задачей: связь между огромным количеством войсковых соединений действовала четко и бесперебойно. Работа Сарнова была по заслугам оценена: он был награжден военным орденом Legion of Merrit, и ему было присвоено звание бригадного генерала, чем он очень гордился, постоянно носил генеральскую форму и все свои бумаги подписывал: "Генерал Сарнов".

Разработка телевидения в СССР.

Еще одна страна с самого начала очень серьезно отнеслась к новому СМИ — СССР. Почему, объяснять не нужно. И если говорить только о технической стороне дела, то советское телевидение долгое время шло вровень с наиболее передовым западным.

Начать с того, что менее чем за два месяца до получения Зворыкиным патента на иконоскоп аналогичную заявку (“на трубку с трехслойной мишенью и накоплением зарядов”) в СССР подал инженер С.И. Катаев, впоследствии — один из ведущих советских специалистов в этой области. И хотя приоритет остался за Зворыкиным, чьи заслуги перед телевидением не подвергали сомнению и у него на родине, этот факт доказывает, что мысль ученых разных стран двигалась параллельно. Кстати, до середины 1930-х годов Зворыкин поддерживал тесные контакты с коллегами на родине — с тем же С. Катаевым, С. Векшинским, Л. Кубецким, А. Шориным и другими. Удивительно другое: авторы некоторых публикаций утверждают, что “отец телевидения” даже сам побывал в Москве в 1933 году, читал лекции и лично общался, в частности с К

Рисунок 15. С. И. Катаев

атаевым. Но затем такое сотрудничество было по понятным причинам свернуто; в следующий раз Зворыкина якобы видели в СССР только в 1958 году — на Американской выставке, о которой речь пойдет ниже.

В

Рисунок 16. Схема передающей телевизионной трубки с мозаичным сигнальным электродом Катаева

начале советское телевидение было “малострочным” (имеется в виду количество строк развертки), а кроме того, механическим, с использованием тех же дисков Нипкова. Кроме того, даже после того, как в конце 1931 года началось опытное вещание из Москвы, поступавшая из студии картинка не всегда сопровождалась звуком. К примеру, “Вечерняя Москва” за 11 января 1932 года писала: “С 1 января передача изображений по радио производится 2 раза в пятидневку (по третьим и пятым числам) с 12.00 по 0.30 ночи через станцию МОСПС и с 0.30 до 1.00 — через опытный передатчик НКПиТ”. Передача “изображения по радио” и была ранним советским телевидением. Первые регулярные передачи со звуковым сопровождением начались 16 декабря 1934 года. К тому времени по “ящикам” шли уже и новостные передачи, и музыкальные, и развлекательные — даже кинофильмы.

Затем начался период так называемого малокадрового электронного телевидения, заметно улучшившего качество изображения. Впервые идею предложил в 1936 году тот же Катаев, и много позже, в 1959-м, с помощью его метода удалось добиться сенсационного успеха: получить снимки обратной стороны Луны.

Пока же, в конце 30-х, Москваобзавелась первым телецентром — его построили на Шаболовке, рядом со знаменитой радиобашней Шухова. На ее вершине советские специалисты установили передающую антенну УКВ-передатчиков изображения и звука, а основное оборудование было закуплено заграницей — в уже упомянутой RCA. Поначалу Московский телецентр обладал единственной студией площадью 300 кв. м и единственной же камерой (фильмы передавали с помощью двух телекинокамер). В марте 1938 года состоялась первая пробная передача, и в новогоднюю ночь все работники центра могли разливать шампанское дважды: МТЦ был торжественно сдан в эксплуатацию. А уже в марте следующего года начались регулярные передачи.

Работы по усовершенствованию телевизионной техники не прекращались даже во время войны. Так, в 1940 году был разработан телевизионный стандарт на 441 строку, годом позже достигнут американский (525 строк), а в 1944 — рекордный 625-строчный. В октябре следующего года правительство приняло постановление перевести на него МТЦ. Реконструкцию осуществляло закрытое КБ во Фрязине, а помогали ему немецкие специалисты, недостатка в которых СССР в 1945 году не испытывал. 3 сентября 1948 года состоялась первая передача в новом стандарте, и впоследствии его приняли все страны с частотой питания в сети 50 герц.

Примерно в то же время был выпущен первый советский массовый телевизор — легендарный КВН-49 (первый опытный телевизионный приемник ТК-1 создали на Ленинградском заводе имени Козицкого еще в 1934-м), который народ тут же расшифровал как “купил, включил, не работает”. На самом деле “ящик” с экраном 10х14 с

Рисунок 17. Телевизор КВН-49

м и выносной пластиковой линзой, наполненной дистиллированной водой, работал: объемам продаж КВНа в послевоенные годы могли бы позавидовать многие западные производители.

До появления спутников связи передача сигнала из Москвы в другие населенные пункты осуществлялась по кабельным или радиорелейным линиям связи. Однако использовали и более хитроумные средства — например, установку ретрансляторов на самолетах: именно так, в частности, передавали репортажи с фестиваля 1957 года в Ленинград, Смоленск, Киев и Минск.

Вместо эпилога.

Из «гадкого утенка» телевидение переросло в огромную индустрию, стало воплощением трудов и стараний одаренных людей, решивших воплотить мечты фантастов. Менее чем за столетие информационная паутина из сотен телевизионных каналов, вещающих в разных уголках света, охватила всю Землю, сделала доступной почти любую информацию. Именно телевидение воплотило в себе технологический прогресс и развитие человечества, в котором мы видим отражение своей жизни.

Мы часто ругаем телевидение, но почти в каждой квартире на почетном месте стоит аппарат, который стал неотъемлемой частью нашей жизни.

Список литературы.

1. От «электрического глаза» А. Столетова до современного телевизора. Музей радио имени А. С. Попова, при поддержке института «Открытое общество». Фонд Сороса, Россия;

2. Вклад Ленинградского ВНИИТ в создание передающих телевизионных трубок и становление электронного телевидения. Н. М. Дубинина. Виртуальный компьютерный музей. История развития радиосвязи.

3. Покорение Голиафа. Дэвид Сарнов. Дмитрий Травин, Борис Докторов.

4. Электронному телевидению 90 лет. Н. В. Дунаевская, В. А. Урвалов.

5. История ТВ: творцы и жертвы. Эрнст Нехамкин (Нью-Йорк). Электронная версия журнала «Вестник» №20 (227), 28 сентября 1999 года. http://vestnik.com

6. Волшебный ящик. Владимир Гаков. http://kurierweb.com

7. Достижения бизнеса XX века. Первая десятка. Передача 4. Становление телевидения. Сергей Сенинский. Радио Свобода.

8. Ресурсы сайта радиолюбителей.

9. Ресурсы сайта, посвященному стандартам вещания и телевидению вцелом.

10. Энциклопедия домашней электроники. On-line энциклопедия. http://vlink.kharkov.ua

11. Большая энциклопедия Кирилла и Мифодия. Двухдисковая версия за 2000 год. Сайт разработчика

1 Примерно 24 см.

2 СУПЕРГЕТЕРОДИННЫЙ РАДИОПРИЕМНИК, приемник, в котором до детектирования принимаемого радиосигнала производится преобразование (понижение) несущей частоты, не изменяющее закона модуляции. Наиболее распространен.

3 МОРМОНЫ («Святые последнего дня»), члены религиозной секты, основанной в США в 1-й пол. 19 в. Дж. Смитом, который опубликовал в 1830 «Книгу Мормона» (якобы запись таинственных письмен израильского пророка Мормона, переселившегося в Америку) — главный источник вероучения, включающего положения иудаизма, христианства и др. религий. В 1848 община мормонов основала в шт. Юта государство мормонов — теократическое государство по типу Др. Израиля. Мормоны проповедовали и практиковали многоженство. Ведут миссионерскую деятельность по всему миру.

refdb.ru

История открытия законов фотоэффекта Столетовым

История открытия законов фотоэффекта Столетовым

Подробности Категория: Документальные учебные фильмы. Серия «Физика».

Документальные учебные фильмы. Серия «Физика».

 

 

 

   Более 120 лет назад произошло важное для науки и техники событие. Летом 1888 г. русский физик-экспериментатор А.Г. Столетов исследовал явление фотоэлектрического эффекта, установил его природу и главные закономерности. Явление не только кардинально повлияло на развитие физики, но и повлекло массу открытий, изобретений. Все теле- и видео-камеры, цифровые фотоаппараты, фотоэлементы, солнечные батареи и прочие устройства, преобразующие свет в электрические сигналы и наоборот, основаны на фотоэффекте. Без него не мыслима современная техника. Казалось бы, столь важное явление должно быть подробно изучено и объяснено. Но несмотря на 120-летнюю историю исследований фотоэффект так и не нашёл адекватного исчерпывающего объяснения, тая уйму загадок. О них и поговорим.

    Суть фотоэффекта, как открыл Столетов, состоит в испускании металлом под действием света отрицательно заряженных частиц, оказавшихся на поверку электронами. Первый закон фотоэффекта, открытый Столетовым, гласит: интенсивность тока электронов (фототока) из металла пропорциональна интенсивности освещения. Из этого, полагали, естественно заключить, что именно свет даёт энергию фотоэлектронам, заставляя их вылетать из металла: чем больше света – тем больше электронов покидает металл. Но Столетов обнаружил удивительную вещь: электроны начинали выходить из металла мгновенно, едва включали освещение . Как показали расчёты, свет просто не успел бы передать электронам требуемую для выхода энергию . Другой загадкой был открытый Ф. Ленардом закон, по которому скорость, энергия E фотоэлектронов зависит не от интенсивности света, а лишь от его частоты f.

    Вместе эти два факта – безынерционность фототока и независимость энергии электронов от яркости – означали, что вовсе не свет даёт энергию электронам. И вот Макс Планк предположил, что фотоэлектроны получают энергию от самого металла, а свет лишь включает спусковой механизм фотоэффекта, играя роль искры, вызывающей взрыв бочонка с порохом, выстрел кремневого ружья – атома металла, стреляющего пулями-электронами . Чем больше света – запальных искр, тем чаще раздаются выстрелы – металл чаще стреляет электронами. Но эту идею Планка забыли и приняли другую его гипотезу, которую сам он не рассматривал всерьёз, – гипотезу квантов, по которой свет состоит из малых порций, сгустков энергии hf (квантов, фотонов), которые разом отдают электронам свою энергию. Квантовая гипотеза объясняет безынерционность фотоэффекта и зависимость E=hf, но не объясняет других свойств фотоэффекта и не вяжется с волновой, электромагнитной природой света.

    Рассмотрим, например, открытую Столетовым усталость фотоэффекта – уменьшение фототока с течением времени при постоянном уровне освещения . Объяснить это можно, лишь признав, что источник энергии фотоэлектронов в металле. С течением времени этот источник истощается, как нашёл Столетов, тем быстрее, чем сильней фототок. Квантовая теория объяснить этот эффект не может. Другой проблемный для теории квант эффект, тоже открытый Столетовым, – это температурная зависимость фототока . Оказалось, при постоянной освещённости фототок заметно увеличивается с ростом температуры металла, причём задолго до того, как проявится термоэлектронная эмиссия. Если источник энергии фотоэлектронов не в свете, а в металле, то зависимость эта вполне понятна: чем выше температура металла, его энергия, тем больше электронов достаточной энергии накапливает металл.

    Механизм выброса металлом электронов был рассмотрен ранее . Видимо, свет воздействует не на свободные электроны металла, как считалось, а на захваченные атомами и вращающиеся в их магнитном поле (рис. 1). Такие электроны уже обладают необходимой для вылета кинетической энергией. Падающий свет лишь изменяет их траектории так, что они покидают магнитные ловушки атомов, сохранив исходный запас энергии (в отличие от электрического удержания электронов, магнитное не меняет их энергии). Вскоре на их место приходят другие электроны, набравшие энергию в ходе теплового движения и случайных столкновений. Чем сильнее нагрет металл, тем больше таких электронов, обладающих нужной энергией и захваченных атомами. Отсюда понятна температурная зависимость фототока.

    Атом играет роль магнитной ловушки электронов, захватывающей и длительно удерживающей их на орбите. Когда падающий свет – электромагнитное поле, меняющееся с частотой f, попадает в резонанс с частотой обращения электрона, то заставляет его сойти с устойчивой орбиты и покинуть атом, а затем металл (рис. 2). Кстати, для внутреннего фотоэффекта давно поняли, что свет воздействует не на свободные, а на связанные в атомах электроны, высвобождая их (это объясняет усталость фотоэлементов). Если искромётная гипотеза Планка верна, то и для внешнего фотоэффекта, где электроны покидают металл, свет воздействует лишь на пойманные атомами электроны. Именно атомы будут ружьём, пращей, баллистой, стреляющей электронами, тогда как свету отведена скромная роль спускового механизма этих метательных орудий. Итак, нет особой разницы меж внутренним и внешним фотоэффектом: и там и там свет вырывает электроны из атомов. Просто в первом случае они остаются в образце, а во втором выходят наружу. Вообще никто ещё не обнаружил передачи светом энергии свободному электрону. Свободный электрон, как признают сторонники квантовой теории, в принципе не может поглотить энергию hf у света [2]. Недаром фотоэффект и комптон-эффект наблюдают всегда только в веществе, у электронов, связанных с атомами.

    Рассмотрим механизм фотоэффекта – как он идёт на атомном уровне. Понять его можно лишь на базе магнитной модели атома Ритца [4, 5]. Ритц показал, что электроны в атоме занимают возле ядра устойчивые положения, откуда следует стабильность атома (невозможная в динамических, планетарных моделях). Если электроны и движутся вокруг ядра, то лишь под действием магнитных, а не электрических сил. При этом вращающийся электрон, теряя энергию на излучение, будет не падать на ядро, а отдалятся от него – в магнитном поле вся энергия электрона кинетическая, и она спадает с удалением. Когда захваченные атомом внешние электроны отрываются, на смену им приходят новые. Магнитное поле атома создают элементарные магнитные диполи – электроны и позитроны, выстроенные в правильном порядке. В итоге ядро, остов атома напоминает песочные часы – четырёхгранную бипирамиду (рис. 1). Электрон движется в её средней плоскости и его кинетическая энергия E связана с частотой f обращения электрона и генерируемого им излучения законом E=hf, где h – постоянная Планка [4, 5]. Вот почему свет частоты f, попав в металле в резонанс с обращением отдельных электронов, срывает их с орбиты, и те вылетают с сохранением своей энергии E=hf (рис. 2). При этом, раз электроны внешние, избыточные, а поле магнитное, им не приходится затрачивать энергию на отрыв от атома – электрической силы со стороны атома нет.

    Заметим, что и Планк, объяснив закон теплового излучения посредством гипотезы квантов, говорил исходно лишь о связи E=hf энергии осцилляторов (электронов в атоме) с частотой их колебаний f. А раз именно такую связь даёт бипирамидальная модель атома, из неё сразу следует закон излучения Планка. Лишь позднее классическую идею Планка извратили так, будто энергия квантуется: свет излучается квантами, фотонами. Судьба идей Планка напоминает историю открытий Ритца. Их выводами воспользовались адепты неклассической физики, проигнорировав классические идеи, в рамках которых выводы были получены.

    Рассмотренный механизм образования фотоэлектронов приводит к выводу, что фотоэффект можно наблюдать лишь в некотором диапазоне частот. Раз энергия электрона E=MV2/2=hf, а его скорость связана с радиусом орбиты R зависимостью V=2πRf, то f=h/2π2R2M. Но радиус орбиты электрона R не может быть ни слишком велик, ни слишком мал, а значит и диапазон частот излучения, выбивающего электроны, ограничен сверху и снизу. Электрон не должен находиться слишком близко к ядру, где кулоновское притяжение ядра преобладает над магнитной силой. Внешний электрон обязан располагаться за сферой внутренних, узловых электронов, экранирующих заряд ядра. Это даёт синюю границу фотоэффекта. С другой стороны, радиус орбиты не может быть больше размеров атома: вне атомного остова магнитное поле резко спадает, и атом не может удержать там электроны на орбите. Так что и для внутреннего фотоэффекта, где электрон остаётся в образце и ему не надо совершать работу выхода, должна быть красная граница фотоэффекта: свет с частотой меньшей f=h/2π2R2M неэффективен (R – радиус атома). И такая красная граница обнаружена.

    Интересно рассчитать эти границы, зная минимальный r и максимальный R радиусы орбиты электрона (рис. 1). Минимальный радиус должен быть порядка тысяч радиусов ядра: электроны вряд ли могут располагаться ближе r≈10–12 м. Отсюда максимальная частота f=h/2π2r2M≈1019 Гц. То есть излучение с частотой много большей 1019 Гц уже не сможет вызвать фотоэффект – это жёсткие рентгеновские лучи и мягкие гамма-лучи. Максимальный радиус орбиты составляет порядка радиуса атома R≈10–10 м. Откуда красная граница фотоэффекта лежит в области частот fкр=h/2π2R2M≈1015 Гц, но это есть видимый свет. И тут интересно заметить, что во внешнем фотоэффекте красная граница как раз соответствует видимому свету. Считают, что это связано с наличием работы выхода – минимальной энергией A, которую должен затратить электрон, дабы покинуть металл. А наименьшая частота света (красная граница), выбивающая электрон fкр=A/h. Но не исключено, что красная граница и работа выхода связаны со свойствами самих атомов, а не металла. Тому есть подтверждения.

    Так, самую длинноволновую красную границу имеют щелочные металлы, что естественно, поскольку у них наибольшие атомные радиусы R. У этих металлов красная граница расположена в диапазоне видимого света, а предельная длина волны λ=с/fкр растёт с ростом атомного радиуса. У металлов же с меньшими атомными радиусами, красная граница расположена в области ультрафиолета (таблица 1). Выходит, и красная граница, и сама работа выхода заданы свойствами атомов, а не металла в целом. И это естественно, ведь металл – это по сути одна гигантская молекула – много атомов, слившихся воедино: их электроны обобщены. А работа выхода – это энергия ионизации такой молекулы, пропорциональная энергии ионизации её атомов. И точно, у металлов с наименьшей энергией ионизации Eи – у щелочных металлов – минимальна и работа выхода A, и эти энергии растут с уменьшением атомного радиуса (таблица 2). Почему-то этот факт, загадочный с точки зрения квантовой теории, игнорируют, хоть и отмечают, что красная граница тем дальше сдвинута в сторону длинных волн, чем электроположительней атомы металла – чем легче они отдают свои электроны [6].

    Другая важная разновидность фотоэффекта – нелинейный фотоэффект, в котором мощное лазерное излучение частоты f выбивает электроны с энергией уже не hf, а удвоенной и кратной энергии: E=nhf, где n – целое. Это принято объяснять тем, что в лазерном излучении плотность потока фотонов столь высока, что электрон порой поглощает сразу несколько фотонов, забирая их энергию. Но эффект легко объясним и в рамках волновой оптики. Металл под действием лазерного излучения генерирует за счёт нелинейных эффектов излучение удвоенной и других кратных частот. Вторичное излучение и выбивает электроны из металла. В отличие от принятого многофотонного объяснения это позволяет также понять, почему нелинейный фотоэффект вызывает только нормальная к металлу компонента поля волны [6].

    Ещё одна загадочная и до сих пор не объяснённая особенность фотоэффекта – селективный (избирательный) фотоэффект. Суть его в том, что вблизи некоторых частот фототок сильно возрастает, как при резонансе (рис. 3). Эффект опять же вызывает лишь составляющая поля нормальная к поверхности металла. Значит, снова причину эффекта надо искать в металле, а не в фотонах. Понять природу эффекта легко, если заметить, что он обнаружен в области ультрафиолета. Но как раз в ультрафиолете металлы обретают прозрачность [7]. То есть ультрафиолетовые лучи некоторого диапазона способны вырывать электроны не только с поверхности металла, но также из глубины, проникая в его толщу. Вот почему на этих частотах фототок заметно возрастает. Во-первых, меньшая часть света отражается, проникая вглубь. А во-вторых, свет воздействует на большее число атомов, готовых к выбросу электрона, и потому эффективность воздействия света на вещество повышена. Итак, пик фототока наблюдается в окне прозрачности металла для света. Как показывает таблица 3, частота f=c/λm, отвечающая этому пику, нарастает с уменьшением размера атома R. Поэтому пик может быть обусловлен и тем, что в атомах есть орбиты, где электронов особенно много, причём в силу подобия атомов радиус этих орбит растёт с увеличением размера атома.

    Осталось объяснить зависимость селективного фотоэффекта от поляризации излучения. Так, при падении луча перпендикулярно границе металла селективный фотоэффект отсутствует, подобно нелинейному. Зато при косом падении луча он максимален. Если селективный эффект вызван компонентой излучения, проникающей в глубь металла, то объяснение очевидно. Из оптики [6] известно, что излучение разной поляризации по-разному проникает в преломляющую среду (рис. 4). Лучше всего проходит излучение с вектором поляризации, лежащим в плоскости падения (параллельная поляризация E║), то есть как раз излучение с составляющей электрического поля нормальной к границе среды. А излучение с вектором поляризации перпендикулярным плоскости падения (перпендикулярная поляризация E┴) не имеет нормальной к границе составляющей поля и проникает в среду заметно слабее, эффективно отражаясь. А при угле падения равном углу Брюстера излучение с продольной поляризацией полностью проходит в среду (рис. 5). Различие проницаемости среды для света выражено тем сильнее, чем выше показатель преломления среды n. Для ультрафиолетовых лучей металл можно условно считать прозрачной средой, но с большим n (строго это делают в металлооптике). Отсюда высокая отражательная способность металлов (коэффициент отражения R растёт с ростом n) и отсюда же ясно, почему свет с вектором поляризации параллельным поверхности почти не проникает в толщу металла и не даёт селективного фотоэффекта. Зато, как видно из графика (рис. 5), свет с продольной поляризацией проникает и создаёт фототок тем эффективней, чем больше угол падения φ и нормальная компонента поля. При большом n угол Брюстера, при котором всё излучение E║ проходит в металл, близок к 90°.

    То же справедливо для нелинейного фотоэффекта, где важна лишь нормальная к поверхности составляющая поля. Раз преобразование излучения во вторую гармонику – обычный нелинейный волновой эффект, протекающий в веществе (любое вещество в сильных лазерных полях становится нелинейной средой), то для этого излучение должно прежде проникнуть в толщу среды. А это, как видели, возможно лишь для излучения с нормальной компонентой поля. Прозрачность металла – вещь относительная. В сильных лазерных полях за счёт эффекта просветления среды металл можно считать прозрачным. Именно это позволило создать полупроводниковые лазеры, хотя полупроводники непрозрачны и сходны по свойствам с металлами, что, полагали, делает их непригодными в качестве активной среды лазера.

    Последняя разновидность фотоэффекта – обратный фотоэффект: генерация металлом излучения при облучении его электронами. Электрон при захвате атомом начинает излучать на частоте своего вращения. Ещё раз отметим, что захват и выброс электрона атомом происходит без изменения энергии (без затрат и выделения энергии ионизации), поскольку захват производит магнитное поле атома. Тогда как потенциальное электрическое поле атомного ядра в принципе не может захватить электрон. Поэтому в фотоэффекте электроны лишь малую долю энергии получают от света – основная часть энергии есть у них изначально. И не исключено, что однажды опыт покажет: энергия электронов, покинувших металл, порой превосходит энергию выбившего их света. Энергия света идёт лишь на изменение орбиты электрона и отрыв его от атома при сходе с устойчивой орбиты. В фотоэлементах (солнечных батареях) эта энергия освобождения электронов и преобразуется в электрическую.

    Итак, волновой подход не уступает квантовому, позволяя наглядно объяснить гораздо больше эффектов, прежде казавшихся совершенно загадочными. Волновая теория более удобна и для объяснения комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар под действием гамма-излучения [3]. Почему же не откажутся от квантового объяснения со всей его несуразностью? Первая причина в отсутствии альтернативных подходов (путь, открытый Планком, давно забыт). Вторая причина в упорном нежелании академических кругов подвергать сомнению основы квантовой механики, ведь фотоэффект – её фундамент. Поэтому представители официальной науки всеми правдами и неправдами скрывают альтернативные пути и проблемы квантовой теории фотоэффекта. Это замалчивание, скрытое противостояние классической и неклассической физики восходит корнями к началу XX века, к тому же Столетову, с внезапной смертью которого связана тёмная история, каких немало в науке.

    Столетов был сторонником классического подхода в физике и стоял на страже здравого смысла в науке, за что и пострадал [8]. Дело в том, что другой физик, Б. Голицын, задолго до Луи де Бройля выдвинул идею корпускулярно-волнового дуализма, в том числе в отношении света. Столетов выступил с резкой критикой этой идеи и добился того, что её признали ошибочной. После это ставили в вину Столетову: не окажи он своим авторитетом такого влияния, идея корпускулярно-волнового дуализма прижилась бы много раньше и принадлежала бы России. Якобы Столетов сам загубил идею, объяснявшую исследованный им фотоэффект. Но на деле Столетов, как любой экспериментатор, глубоко чувствовал истинную природу явлений, интуитивно понимая, что идея корпускулярно-волнового дуализма абсурдна.

    Трагичен конец этой истории. Голицын, используя своё высокое положение, в ответ на критику Столетова добился, чтобы у того стали возникать служебные неприятности [1, 8]. А Столетов, будучи человеком принципиальным, не мог поступиться своими научными убеждениями. Всё кончилось тяжёлым сердечным приступом и скорой смертью Столетова. Эта история мало освещалась. И до сих пор такие тёмные дела продолжают замалчивать, помогая некой скрытой силе творить беспредел в науке и проводить в жизнь абсурдные неклассические идеи, сметая с пути всех, кто им сопротивляется. Лишь немногие учёные-борцы, вроде Столетова, осмеливаются вопреки вышестоящим чинам публично выступить против абсурда, обнажая его глупость, как в сказке про голого короля. Уже за одно это такие учёные достойны уважения. Их усилиями свет однажды вновь воцарится в учении о свете и фотоэффекте.

С. Семиков

Источники:

http://ritz-btr.narod.ru/fotoef.html

(напечатано в журнале "Инженер" №2, 2009)

forkettle.ru

Kvant. Фотоэффект и кванты — PhysBook

Кикоин А.К. Фотоэлектрический эффект и кванты //Квант. — 1984. — № 2. — С. 29-25.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Фотоэлектрический эффект был открыт немецким физиком-экспериментатором В. Галльваксом в 1888 году[1]. Он обнаружил, что при освещении отрицательно заряженного проводника ультрафиолетовым светом заряд проводника быстро уменьшается.

Фотоэффект был подробно исследован в 1888-1890 годы русским ученым А. Г. Столетовым и несколько позже — немецким ученым Ф. Ленардом. Так, в 1899 году Ленард доказал, что при освещении металла ультрафиолетовым (а иногда и видимым) светом из металла вырываются отрицательно заряженные частицы — электроны[2].

Сам по себе факт вырывания электронов из металла под действием света не вызывал удивления. К этому времени уже было известно, что свет — это электромагнитная волна. Значит, падающий на поверхность металла свет приносит с собой переменное электрическое поле. В таком поле электрон в металле должен совершать колебания, а при достаточно большой амплитуде он может и вылететь из металла, где его удерживает сила притяжения к положительно заряженным частицам (напомним, что амплитуда определяет энергию колебаний). Можно ожидать, что на «раскачку» электрона потребуется некоторое время (расчет показывает, что могут потребоваться даже минуты). Число вылетающих в единицу времени электронов должно, очевидно, зависеть от интенсивности падающего света (то есть от энергии излучения, проходящей за единицу времени через единичную площадку в направлении, перпендикулярном лучу). Так, свет мощного прожектора должен, естественно, вырывать больше электронов, чем свет карманного фонарика. От интенсивности падающего света должна зависеть и энергия вылетающих электронов.

Таким образом, на основании волновой теории света можно было ожидать, что:

1. Любой свет, то есть свет любой длины волны, должен вырывать электроны из металла, поскольку любой свет приносит с собой переменное электрическое поле.
2. На вырывание электрона из металла требуется определенное время. Поэтому фотоэлектроны (электроны, вырванные светом) должны появляться через некоторое время после включения света.
3. Число вырванных электронов и их энергия должны быть пропорциональны интенсивности света (то есть квадрату амплитуды колебаний в световой волне).

Однако исследования, проведенные А. Г. Столетовым, В. Галльваксом и Ф. Ленардом, показали, что законы фотоэффекта совсем не такие, как ожидалось. Оказалось, что:

1. Не всякий свет вырывает электроны из металла. Для каждого металла существует определенная наименьшая частота νmin (наибольшая длина волны λmax), такая, что свет меньшей частоты (большей длины волны) вовсе не вырывает электронов. Если частота колебаний в световой волне меньше этой граничной частоты, то и самый мощный прожектор, испускающий такой свет, не вырвет ни одного электрона. Но если частота больше νmin то и маленький карманный фонарик вызовет вылет электронов. Эта наименьшая частота (наибольшая длина волны) называется красной границей фотоэффекта.
2. Вылет электронов из металла начинается практически одновременно с началом его освещения. Мгновенность действия и сделала фотоэффект таким важным в различных автоматических устройствах.
3. Вырванные светом электроны имеют различные значения кинетической энергии — от самых малых до некоторого максимального значения \(~\frac{m \cdot \upsilon^2_{max}}{2}\). Эта максимальная энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света, а не от его интенсивности. Интенсивности света пропорционально только число вырванных электронов (в этом состоит закон Столетова для фотоэффекта).

Таким образом, главную роль почему-то играет частота света, которая определяет его цвет, но не имеет никакого отношения к энергии волны. Законы фотоэффекта оказались, следовательно, несовместимыми с волновой теорией света.

Полное теоретическое объяснение фотоэлектрического эффекта было найдено в 1905 году А. Эйнштейном. Он показал, что в этом случае свет ведет себя не как волна, а как поток частиц, квантов света, энергия которых выражается равенством \(~E = h \cdot \nu\), введенным еще за пять лет до этого М. Планком для объяснения совсем другого процесса.

Сам фотоэффект состоит в том, что световые частицы, сталкиваясь с электронами металла, передают им свою энергию и импульс (сами кванты при этом исчезают). Если энергия квантов падающего света больше той работы, которую электрон должен совершить против сил притяжения к положительно заряженным частицам вещества, электрон может вылететь из металла. Если энергия квантов меньше этой работы (работы выхода электрона из металла), ни один электрон из металла не вылетит.

Становится понятным смысл граничной частоты, то есть красной границы фотоэффекта: для вырывания электрона из металла энергия квантов должна быть не меньше, чем h ·νmin. Эта энергия и равна работе выхода А электрона из данного металла. В случае, когда энергия h ·ν падающих квантов больше А, максимальная кинетическая энергия электронов равна разности h ·ν — А:

\(~\frac{m \cdot \upsilon^2_{max}}{2} = h \cdot \nu - A\) .

Это и есть формула Эйнштейна для фотоэффекта. Обычно ее пишут в виде

\(~h \cdot \nu = A + \frac{m \cdot \upsilon^2_{max}}{2}\) .

А что же интенсивность света, играет ли она какую-нибудь роль? Да, играет. Если свет вызывает фотоэффект, то число вылетающих в единицу времени электронов пропорционально именно интенсивности света. Но интенсивность света теперь связана не с амплитудой колебаний в световой волне, а с числом квантов, испускаемых источником в единицу времени. Вдвое более «сильная» лампа испускает вдвое больше квантов; свет такой лампы и электронов из металла вырвет вдвое больше. Но энергия вылетающих электронов зависит не от силы света лампы, а от того, какого цвета свет она испускает.

Теория Эйнштейна самым тщательным образом была проверена экспериментально (в опытах, подобных описанному в «Физике 10» на с. 225). Особенно точные измерения провел в 1916 году американский физик Р. Милликен. Результаты этих исследований могут быть представлены в виде графика зависимости максимальной кинетической энергии электронов от частоты света (см. рисунок; приведенный на нем график относится к металлу барию). В этом графике вся суть теории Эйнштейна. Из него видно, что пока частота света меньше граничной νmin, энергия электронов равна нулю. А дальше кинетическая энергия растет пропорционально частоте ν (точнее разности частот ν — νmin), как это и следует из уравнения Эйнштейна. А наклон графика (тангенс угла наклона) определяет значение постоянной Планка h.

Открытие и исследование фотоэлектрического эффекта привели к тому, что наряду с волновой теорией света появилась еще одна теория — квантовая теория света. В 1921 году за важные физико-математические исследования, особенно за открытие законов фотоэлектрического эффекта, А. Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия (высшая международная награда за научные достижения). В 1923 году за исследования в области элементарных зарядов и фотоэлектрического эффекта такая же премия была присуждена Р. Милликену.

Примечания

1. ↑ Годом раньше немецкий физик Г. Герц обнаружил, что искровой разряд между двумя электродами происходит более активно, если искровой промежуток освещается ультрафиолетовым светом.
2. ↑ Говоря более точно, испускание электронов твердыми и жидкими телами следует называть внешним фотоэлектрическим аффектом (в отличие от внутреннего фотоэффекта, когда под действием света электроны остаются внутри тела и лишь изменяют свое состояние).

www.physbook.ru

Фотоэффект

Содержание

Введение

1. История открытия фотоэффекта

2. Законы Столетова

3. Уравнение Эйнштейна

4. Внутренний фотоэффект

5. Применение явления фотоэффекта

Список литературы

Введение

Многочисленные оптические явления непротиворечиво объясняли, исходя из представлений о волновой природе света. Однако в конце XIX – начале XX в. были открыты и изучены такие явления, как фотоэффект, рентгеновское излучение, эффект Комптона, излучение атомов и молекул, тепловое излучение и другие, объяснение которых с волновой точки зрения оказалось невозможным. Объяснение новых экспериментальных фактов было получено на основе корпускулярных представлений о природе света. Возникла парадоксальная ситуация, связанная с применением совершенно противоположных физических моделей волны и частицы для объяснения оптических явлений. В одних явлениях свет проявлял волновые свойства, в других – корпускулярные.

Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект , то есть испускание электронов веществом под действием света. Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах и сыграл чрезвычайно важную роль в развитии современных теоретических представлений. Вместе с тем фотоэлектрический эффект используется в фотоэлементах получивших исключительно широкое применение в разнообразнейших областях науки и техники и обещающих еще более богатые перспективы. [1]

1. История открытия фотоэффекта

Открытие фотоэффекта следует отнести к 1887 г., когда Герц обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает проскакивание искры между ними.

Явление, обнаруженное Герцом, можно наблюдать на следующем легко осуществимом опыте (рис. 1).

Величина искрового промежутка F подбирается таким образом, что в схеме, состоящей из трансформатора Т и конденсатора С, искра проскакивает с трудом (один – два раза в минуту). Если осветить электроды F, сделанные из чистого цинка, светом ртутной лампы Hg, то разряд конденсатора значительно облегчается: искра начинает проскакивать Рис. 1. Схема опыта Герца.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза – если Планк предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантовых порций. Из представления о свете как о частицах (фотонах) немедленно следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

,

где

– кинетическая энергия вылетающего электрона, – работа выхода для данного вещества, – частота падающего света, – постоянная Планка, которая оказалась ровно той же, что и в формуле Планка для излучения абсолютно чёрного тела.

Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта. Таким образом, исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантово – механических исследований.

2. Законы Столетова

Впервые (1888–1890), подробно анализируя явление фотоэффекта, русский физик А.Г. Столетов получил принципиально важные результаты. В отличие от предыдущих исследователей он брал малую разность потенциалов между электродами. Схема опыта Столетова представлена на рис. 2.

Два электрода (один в виде сетки, другой – плоский), находящиеся в вакууме, присоединены к батарее. Включенный в цепь амперметр служит для измерения возникающей силы тока. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов пришел к выводу, что наиболее эффективное действие оказывают ультрафиолетовые лучи. Кроме того, было установлено, что сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

В 1898 г. Ленард и Томсон методом отклонения зарядов в электрическом и магнитном полях определили удельный заряд заряженных частиц, вырываемых Рис. 2. Схема опыта Столетова.

светом из катода, и получили выражение

СГСЕ ед. з/г, совпадающее с известным удельным зарядом электрона. Отсюда следовало, что под действием света происходит вырывание электронов из вещества катода.

Путем обобщения полученных результатов были установлены следующие закономерности фотоэффекта:

1. При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.

2. Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.

3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждого металла величины

, называемой красной границей.

Первую закономерность фотоэффекта, а также возникновение самого фотоэффекта легко объяснить, исходя из законов классической физики. Действительно, световое поле, воздействуя на электроны внутри металла, возбуждает их колебания. Амплитуда вынужденных колебаний может достичь такого значения, при котором электроны покидают металл; тогда и наблюдается фотоэффект.

Ввиду того, что согласно классической теории интенсивность света прямо пропорциональна квадрату электрического вектора, число вырванных электронов растет с увеличением интенсивности света.

Вторая и третья закономерности фотоэффекта законами классической физики не объясняются.

Изучая зависимость фототока (рис. 3), возникающего при облучении металла потоком монохроматического света, от разности потенциалов между электродами (такая зависимость обычно называется вольт – амперной характеристикой фототока), установили, что: 1) фототок возникает не только при

, но и при ; 2) фототок отличен от нуля до строго определенного для данного металла отрицательного значения разности потенциалов , так называемого задерживающего потенциала; 3) величина запирающего (задерживающего) потенциала не зависит от интенсивности падающего света; 4) фототок растет с уменьшением абсолютного значения задерживающего потенциала; 5) величина фототока растет с ростом и с какого-то определенного значения фототок (так называемый ток насыщения) становится постоянным; 6) величина тока насыщения растет с увеличением интенсивности падающего света; 7) величина задерживающего Рис. 3. Характеристика

потенциала зависит от частоты падающего света; фототока.

8) скорость вырванных под действием света электронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты. [2]

3. Уравнение Эйнштейна

Явление фотоэффекта и все его закономерности хорошо объясняются с помощью квантовой теории света, что подтверждает квантовую природу света.

Как уже было отмечено, Эйнштейн (1905 г.), развивая квантовую теорию Планка, выдвинул идею, согласно которой не только излучение и поглощение, но и распространение света происходит порциями (квантами), энергия и импульс которых:

, ,

где

– единичный вектор, направленный по волновому вектору. Применяя к явлению фотоэффекта в металлах закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу: , (1)

где

- работа выхода электрона из металла, – скорость фотоэлектрона. Согласно Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном, причем часть энергии падающего фотона тратится на совершение работы выхода электрона металла, оставшаяся же часть сообщает электрону кинетическую энергию .

Как следует из (1), фотоэффект в металлах может возникнуть только при

, в противном случае энергия фотона будет недостаточной для вырывания электрона из металла. Наименьшая частота света , под действием которого происходит фотоэффект, определяется, очевидно, из условия ,

откуда

. (2)

mirznanii.com

Семиков С.А. "Столетов и фотоэффект"



[вернуться к содержанию сайта]

СТОЛЕТОВ И ФОТОЭФФЕКТ(напечатано в журнале "Инженер" №2, 2009)

    120 лет назад произошло важное для науки и техники событие. Летом 1888 г. русский физик-экспериментатор А.Г. Столетов исследовал явление фотоэлектрического эффекта, установил его природу и главные закономерности. Явление не только кардинально повлияло на развитие физики, но и повлекло массу открытий, изобретений. Все теле- и видео-камеры, цифровые фотоаппараты, фотоэлементы, солнечные батареи и прочие устройства, преобразующие свет в электрические сигналы и наоборот, основаны на фотоэффекте. Без него не мыслима современная техника. Казалось бы, столь важное явление должно быть подробно изучено и объяснено. Но несмотря на 120-летнюю историю исследований фотоэффект так и не нашёл адекватного исчерпывающего объяснения, тая уйму загадок. О них и поговорим.

    Суть фотоэффекта, как открыл Столетов, состоит в испускании металлом под действием света отрицательно заряженных частиц, оказавшихся на поверку электронами. Первый закон фотоэффекта, открытый Столетовым, гласит: интенсивность тока электронов (фототока) из металла пропорциональна интенсивности освещения. Из этого, полагали, естественно заключить, что именно свет даёт энергию фотоэлектронам, заставляя их вылетать из металла: чем больше света – тем больше электронов покидает металл. Но Столетов обнаружил удивительную вещь: электроны начинали выходить из металла мгновенно, едва включали освещение [1]. Как показали расчёты, свет просто не успел бы передать электронам требуемую для выхода энергию [2]. Другой загадкой был открытый Ф. Ленардом закон, по которому скорость, энергия E фотоэлектронов зависит не от интенсивности света, а лишь от его частоты f.

    Вместе эти два факта – безынерционность фототока и независимость энергии электронов от яркости – означали, что вовсе не свет даёт энергию электронам. И вот Макс Планк предположил, что фотоэлектроны получают энергию от самого металла, а свет лишь включает спусковой механизм фотоэффекта, играя роль искры, вызывающей взрыв бочонка с порохом, выстрел кремневого ружья – атома металла, стреляющего пулями-электронами [3]. Чем больше света – запальных искр, тем чаще раздаются выстрелы – металл чаще стреляет электронами. Но эту идею Планка забыли и приняли другую его гипотезу, которую сам он не рассматривал всерьёз, – гипотезу квантов, по которой свет состоит из малых порций, сгустков энергии hf (квантов, фотонов), которые разом отдают электронам свою энергию. Квантовая гипотеза объясняет безынерционность фотоэффекта и зависимость E=hf, но не объясняет других свойств фотоэффекта и не вяжется с волновой, электромагнитной природой света.

    Рассмотрим, например, открытую Столетовым усталость фотоэффекта – уменьшение фототока с течением времени при постоянном уровне освещения [1]. Объяснить это можно, лишь признав, что источник энергии фотоэлектронов в металле. С течением времени этот источник истощается, как нашёл Столетов, тем быстрее, чем сильней фототок. Квантовая теория объяснить этот эффект не может. Другой проблемный для теории квант эффект, тоже открытый Столетовым, – это температурная зависимость фототока [1]. Оказалось, при постоянной освещённости фототок заметно увеличивается с ростом температуры металла, причём задолго до того, как проявится термоэлектронная эмиссия. Если источник энергии фотоэлектронов не в свете, а в металле, то зависимость эта вполне понятна: чем выше температура металла, его энергия, тем больше электронов достаточной энергии накапливает металл.

    Механизм выброса металлом электронов был рассмотрен ранее [3, 4]. Видимо, свет воздействует не на свободные электроны металла, как считалось, а на захваченные атомами и вращающиеся в их магнитном поле (рис. 1). Такие электроны уже обладают необходимой для вылета кинетической энергией. Падающий свет лишь изменяет их траектории так, что они покидают магнитные ловушки атомов, сохранив исходный запас энергии (в отличие от электрического удержания электронов, магнитное не меняет их энергии). Вскоре на их место приходят другие электроны, набравшие энергию в ходе теплового движения и случайных столкновений. Чем сильнее нагрет металл, тем больше таких электронов, обладающих нужной энергией и захваченных атомами. Отсюда понятна температурная зависимость фототока.

    Атом играет роль магнитной ловушки электронов, захватывающей и длительно удерживающей их на орбите. Когда падающий свет – электромагнитное поле, меняющееся с частотой f, попадает в резонанс с частотой обращения электрона, то заставляет его сойти с устойчивой орбиты и покинуть атом, а затем металл (рис. 2). Кстати, для внутреннего фотоэффекта давно поняли, что свет воздействует не на свободные, а на связанные в атомах электроны, высвобождая их (это объясняет усталость фотоэлементов). Если искромётная гипотеза Планка верна, то и для внешнего фотоэффекта, где электроны покидают металл, свет воздействует лишь на пойманные атомами электроны. Именно атомы будут ружьём, пращей, баллистой, стреляющей электронами, тогда как свету отведена скромная роль спускового механизма этих метательных орудий. Итак, нет особой разницы меж внутренним и внешним фотоэффектом: и там и там свет вырывает электроны из атомов. Просто в первом случае они остаются в образце, а во втором выходят наружу. Вообще никто ещё не обнаружил передачи светом энергии свободному электрону. Свободный электрон, как признают сторонники квантовой теории, в принципе не может поглотить энергию hf у света [2]. Недаром фотоэффект и комптон-эффект наблюдают всегда только в веществе, у электронов, связанных с атомами.

    Рассмотрим механизм фотоэффекта – как он идёт на атомном уровне. Понять его можно лишь на базе магнитной модели атома Ритца [4, 5]. Ритц показал, что электроны в атоме занимают возле ядра устойчивые положения, откуда следует стабильность атома (невозможная в динамических, планетарных моделях). Если электроны и движутся вокруг ядра, то лишь под действием магнитных, а не электрических сил. При этом вращающийся электрон, теряя энергию на излучение, будет не падать на ядро, а отдалятся от него – в магнитном поле вся энергия электрона кинетическая, и она спадает с удалением. Когда захваченные атомом внешние электроны отрываются, на смену им приходят новые. Магнитное поле атома создают элементарные магнитные диполи – электроны и позитроны, выстроенные в правильном порядке. В итоге ядро, остов атома напоминает песочные часы – четырёхгранную бипирамиду (рис. 1). Электрон движется в её средней плоскости и его кинетическая энергия E связана с частотой f обращения электрона и генерируемого им излучения законом E=hf, где h – постоянная Планка [4, 5]. Вот почему свет частоты f, попав в металле в резонанс с обращением отдельных электронов, срывает их с орбиты, и те вылетают с сохранением своей энергии E=hf (рис. 2). При этом, раз электроны внешние, избыточные, а поле магнитное, им не приходится затрачивать энергию на отрыв от атома – электрической силы со стороны атома нет.

    Заметим, что и Планк, объяснив закон теплового излучения посредством гипотезы квантов, говорил исходно лишь о связи E=hf энергии осцилляторов (электронов в атоме) с частотой их колебаний f. А раз именно такую связь даёт бипирамидальная модель атома, из неё сразу следует закон излучения Планка. Лишь позднее классическую идею Планка извратили так, будто энергия квантуется: свет излучается квантами, фотонами. Судьба идей Планка напоминает историю открытий Ритца. Их выводами воспользовались адепты неклассической физики, проигнорировав классические идеи, в рамках которых выводы были получены.

    Рассмотренный механизм образования фотоэлектронов приводит к выводу, что фотоэффект можно наблюдать лишь в некотором диапазоне частот. Раз энергия электрона E=MV2/2=hf, а его скорость связана с радиусом орбиты R зависимостью V=2πRf, то f=h/2π2R2M. Но радиус орбиты электрона R не может быть ни слишком велик, ни слишком мал, а значит и диапазон частот излучения, выбивающего электроны, ограничен сверху и снизу. Электрон не должен находиться слишком близко к ядру, где кулоновское притяжение ядра преобладает над магнитной силой. Внешний электрон обязан располагаться за сферой внутренних, узловых электронов, экранирующих заряд ядра. Это даёт синюю границу фотоэффекта. С другой стороны, радиус орбиты не может быть больше размеров атома: вне атомного остова магнитное поле резко спадает, и атом не может удержать там электроны на орбите. Так что и для внутреннего фотоэффекта, где электрон остаётся в образце и ему не надо совершать работу выхода, должна быть красная граница фотоэффекта: свет с частотой меньшей f=h/2π2R2M неэффективен (R – радиус атома). И такая красная граница обнаружена.

    Интересно рассчитать эти границы, зная минимальный r и максимальный R радиусы орбиты электрона (рис. 1). Минимальный радиус должен быть порядка тысяч радиусов ядра: электроны вряд ли могут располагаться ближе r≈10–12 м. Отсюда максимальная частота f=h/2π2r2M≈1019 Гц. То есть излучение с частотой много большей 1019 Гц уже не сможет вызвать фотоэффект – это жёсткие рентгеновские лучи и мягкие гамма-лучи. Максимальный радиус орбиты составляет порядка радиуса атома R≈10–10 м. Откуда красная граница фотоэффекта лежит в области частот fкр=h/2π2R2M≈1015 Гц, но это есть видимый свет. И тут интересно заметить, что во внешнем фотоэффекте красная граница как раз соответствует видимому свету. Считают, что это связано с наличием работы выхода – минимальной энергией A, которую должен затратить электрон, дабы покинуть металл. А наименьшая частота света (красная граница), выбивающая электрон fкр=A/h. Но не исключено, что красная граница и работа выхода связаны со свойствами самих атомов, а не металла. Тому есть подтверждения.

    Так, самую длинноволновую красную границу имеют щелочные металлы, что естественно, поскольку у них наибольшие атомные радиусы R. У этих металлов красная граница расположена в диапазоне видимого света, а предельная длина волны λ=с/fкр растёт с ростом атомного радиуса. У металлов же с меньшими атомными радиусами, красная граница расположена в области ультрафиолета (таблица 1). Выходит, и красная граница, и сама работа выхода заданы свойствами атомов, а не металла в целом. И это естественно, ведь металл – это по сути одна гигантская молекула – много атомов, слившихся воедино: их электроны обобщены. А работа выхода – это энергия ионизации такой молекулы, пропорциональная энергии ионизации её атомов. И точно, у металлов с наименьшей энергией ионизации Eи – у щелочных металлов – минимальна и работа выхода A, и эти энергии растут с уменьшением атомного радиуса (таблица 2). Почему-то этот факт, загадочный с точки зрения квантовой теории, игнорируют, хоть и отмечают, что красная граница тем дальше сдвинута в сторону длинных волн, чем электроположительней атомы металла – чем легче они отдают свои электроны [6].

    Другая важная разновидность фотоэффекта – нелинейный фотоэффект, в котором мощное лазерное излучение частоты f выбивает электроны с энергией уже не hf, а удвоенной и кратной энергии: E=nhf, где n – целое. Это принято объяснять тем, что в лазерном излучении плотность потока фотонов столь высока, что электрон порой поглощает сразу несколько фотонов, забирая их энергию. Но эффект легко объясним и в рамках волновой оптики. Металл под действием лазерного излучения генерирует за счёт нелинейных эффектов излучение удвоенной и других кратных частот. Вторичное излучение и выбивает электроны из металла. В отличие от принятого многофотонного объяснения это позволяет также понять, почему нелинейный фотоэффект вызывает только нормальная к металлу компонента поля волны [6].

    Ещё одна загадочная и до сих пор не объяснённая особенность фотоэффекта – селективный (избирательный) фотоэффект. Суть его в том, что вблизи некоторых частот фототок сильно возрастает, как при резонансе (рис. 3). Эффект опять же вызывает лишь составляющая поля нормальная к поверхности металла. Значит, снова причину эффекта надо искать в металле, а не в фотонах. Понять природу эффекта легко, если заметить, что он обнаружен в области ультрафиолета. Но как раз в ультрафиолете металлы обретают прозрачность [7]. То есть ультрафиолетовые лучи некоторого диапазона способны вырывать электроны не только с поверхности металла, но также из глубины, проникая в его толщу. Вот почему на этих частотах фототок заметно возрастает. Во-первых, меньшая часть света отражается, проникая вглубь. А во-вторых, свет воздействует на большее число атомов, готовых к выбросу электрона, и потому эффективность воздействия света на вещество повышена. Итак, пик фототока наблюдается в окне прозрачности металла для света. Как показывает таблица 3, частота f=c/λm, отвечающая этому пику, нарастает с уменьшением размера атома R. Поэтому пик может быть обусловлен и тем, что в атомах есть орбиты, где электронов особенно много, причём в силу подобия атомов радиус этих орбит растёт с увеличением размера атома.

    Осталось объяснить зависимость селективного фотоэффекта от поляризации излучения. Так, при падении луча перпендикулярно границе металла селективный фотоэффект отсутствует, подобно нелинейному. Зато при косом падении луча он максимален. Если селективный эффект вызван компонентой излучения, проникающей в глубь металла, то объяснение очевидно. Из оптики [6] известно, что излучение разной поляризации по-разному проникает в преломляющую среду (рис. 4). Лучше всего проходит излучение с вектором поляризации, лежащим в плоскости падения (параллельная поляризация E║), то есть как раз излучение с составляющей электрического поля нормальной к границе среды. А излучение с вектором поляризации перпендикулярным плоскости падения (перпендикулярная поляризация E┴) не имеет нормальной к границе составляющей поля и проникает в среду заметно слабее, эффективно отражаясь. А при угле падения равном углу Брюстера излучение с продольной поляризацией полностью проходит в среду (рис. 5). Различие проницаемости среды для света выражено тем сильнее, чем выше показатель преломления среды n. Для ультрафиолетовых лучей металл можно условно считать прозрачной средой, но с большим n (строго это делают в металлооптике). Отсюда высокая отражательная способность металлов (коэффициент отражения R растёт с ростом n) и отсюда же ясно, почему свет с вектором поляризации параллельным поверхности почти не проникает в толщу металла и не даёт селективного фотоэффекта. Зато, как видно из графика (рис. 5), свет с продольной поляризацией проникает и создаёт фототок тем эффективней, чем больше угол падения φ и нормальная компонента поля. При большом n угол Брюстера, при котором всё излучение E║ проходит в металл, близок к 90°.

    То же справедливо для нелинейного фотоэффекта, где важна лишь нормальная к поверхности составляющая поля. Раз преобразование излучения во вторую гармонику – обычный нелинейный волновой эффект, протекающий в веществе (любое вещество в сильных лазерных полях становится нелинейной средой), то для этого излучение должно прежде проникнуть в толщу среды. А это, как видели, возможно лишь для излучения с нормальной компонентой поля. Прозрачность металла – вещь относительная. В сильных лазерных полях за счёт эффекта просветления среды металл можно считать прозрачным. Именно это позволило создать полупроводниковые лазеры, хотя полупроводники непрозрачны и сходны по свойствам с металлами, что, полагали, делает их непригодными в качестве активной среды лазера.

    Последняя разновидность фотоэффекта – обратный фотоэффект: генерация металлом излучения при облучении его электронами. Электрон при захвате атомом начинает излучать на частоте своего вращения. Ещё раз отметим, что захват и выброс электрона атомом происходит без изменения энергии (без затрат и выделения энергии ионизации), поскольку захват производит магнитное поле атома. Тогда как потенциальное электрическое поле атомного ядра в принципе не может захватить электрон. Поэтому в фотоэффекте электроны лишь малую долю энергии получают от света – основная часть энергии есть у них изначально. И не исключено, что однажды опыт покажет: энергия электронов, покинувших металл, порой превосходит энергию выбившего их света. Энергия света идёт лишь на изменение орбиты электрона и отрыв его от атома при сходе с устойчивой орбиты. В фотоэлементах (солнечных батареях) эта энергия освобождения электронов и преобразуется в электрическую.

    Итак, волновой подход не уступает квантовому, позволяя наглядно объяснить гораздо больше эффектов, прежде казавшихся совершенно загадочными. Волновая теория более удобна и для объяснения комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар под действием гамма-излучения [3]. Почему же не откажутся от квантового объяснения со всей его несуразностью? Первая причина в отсутствии альтернативных подходов (путь, открытый Планком, давно забыт). Вторая причина в упорном нежелании академических кругов подвергать сомнению основы квантовой механики, ведь фотоэффект – её фундамент. Поэтому представители официальной науки всеми правдами и неправдами скрывают альтернативные пути и проблемы квантовой теории фотоэффекта. Это замалчивание, скрытое противостояние классической и неклассической физики восходит корнями к началу XX века, к тому же Столетову, с внезапной смертью которого связана тёмная история, каких немало в науке.

    Столетов был сторонником классического подхода в физике и стоял на страже здравого смысла в науке, за что и пострадал [8]. Дело в том, что другой физик, Б. Голицын, задолго до Луи де Бройля выдвинул идею корпускулярно-волнового дуализма, в том числе в отношении света. Столетов выступил с резкой критикой этой идеи и добился того, что её признали ошибочной. После это ставили в вину Столетову: не окажи он своим авторитетом такого влияния, идея корпускулярно-волнового дуализма прижилась бы много раньше и принадлежала бы России. Якобы Столетов сам загубил идею, объяснявшую исследованный им фотоэффект. Но на деле Столетов, как любой экспериментатор, глубоко чувствовал истинную природу явлений, интуитивно понимая, что идея корпускулярно-волнового дуализма абсурдна.

    Трагичен конец этой истории. Голицын, используя своё высокое положение, в ответ на критику Столетова добился, чтобы у того стали возникать служебные неприятности [1, 8]. А Столетов, будучи человеком принципиальным, не мог поступиться своими научными убеждениями. Всё кончилось тяжёлым сердечным приступом и скорой смертью Столетова. Эта история мало освещалась. И до сих пор такие тёмные дела продолжают замалчивать, помогая некой скрытой силе творить беспредел в науке и проводить в жизнь абсурдные неклассические идеи, сметая с пути всех, кто им сопротивляется. Лишь немногие учёные-борцы, вроде Столетова, осмеливаются вопреки вышестоящим чинам публично выступить против абсурда, обнажая его глупость, как в сказке про голого короля. Уже за одно это такие учёные достойны уважения. Их усилиями свет однажды вновь воцарится в учении о свете и фотоэффекте.

С. Семиков

Источники:

1. Болховитинов В. Столетов А.Г. М.: МГ, 1951.2. Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика. Ч.1. М.: Наука, 1986.3. Свет – частица ли? // Инженер, №6, 2006.4. Как устроен атомный излучатель? // Инженер, №10, 2006.5. От Атома до Ядра // Инженер, №12, 2007.6. Ландсберг Г.С. Оптика, М.: Наука, 1976.7. Займан Дж. Принципы теории твёрдого тела. М.: Мир, 1974.8. Барашенков В.С. Вселенная в электроне. М., 1988.

Дата установки: 09.02.2009[вернуться к содержанию сайта]

ritz-btr.narod.ru

A. Применение фотоэффекта — PhysBook

Применение фотоэффекта в технике

Приборы, принцип действия которых основан на явлении фотоэффекта, называют фотоэлементами. Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, имеют следующее устройство (рис. 19.6). Внутренняя поверхность стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, по крыта светочувствительным слоем К с небольшим прозрачным для света участком — "окном" О для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое кольцо А. От электродов К к А сделаны выводы для подключения фотоэлемента к электрической цепи. В качестве светочувствительного слоя обычно используют напыленные покрытия из щелочных металлов, имеющих малую работу выхода, т.е. чувствительных к видимому свету (изготовляют и фотоэлементы, чувствительные только к ультрафиолетовым лучам).

Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

В качестве примера рассмотрим принцип действия фотоэлектрического реле, срабатывающего при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент (рис. 19.7, а). Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют полупроводниковый триод (транзистор) Т, и электромагнитного реле, включенного в цепь коллектора транзистора. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока E1, а на транзистор — от источника тока Е2. Между базой и эмиттером транзистора включен нагрузочный резистор R.

Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор Я, идет слабый ток, потенциал базы транзистора выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует.

Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, переход эмиттер — база открывается для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток. Реле срабатывает, и его контакты замыкают исполнительную цепь. Ее функциями могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека, выдвигание преграды в турникете метро, автоматическое включение освещения на улицах. Фотоэлементы применяются в военном деле в самонаводящихся снарядах, для сигнализации и локации невидимыми лучами (инфракрасными).

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, за-писанного на кинопленке, а также передача движущихся изображений (телевидение).

Комбинация явлений фотоэффекта со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) (рис. 19.7, б), представляющих собой вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов-эмиттеров. Электроны, вырванные с фотокатода под действием света, попадают на эмиттер Э1, пройдя ускоряющую разность потенциалов между К к Э1. Из эмиттера Э1 выбиваются электроны. Усиленный электронный поток направляется на эмиттер Э2 и процесс умножения повторяется на всех последующих эмиттерах. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 106, т.е. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок.

На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фотосопротивлений. Простейшее фотосопротивление (рис. 19.8) — это пластинка из диэлектрика, покрытая тонким слоем полупроводника, на поверхности которого укреплены токопроводящие электроды. При освещении пластинки возникает фотопроводимость, и в цепи, где включены фотосопротивления, идет ток. Фотосопротивления применяются в звуковом кино, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике. Фотоэлементы применяются для сортировки массовых изделий по размерам и окраске. Пучок света падает на фотоэлемент, отразившись от сортируемых изделий, которые непрерывно подаются на конвейер. Окраска изделия или его размер определяют световой поток, попадающий на фотоэлемент, и силу фототока. В зависимости от силы фототока автоматически производится сортировка изделий.

На рисунке 19.8 изображена схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем (вентильным фотоэлемент). Две соприкасающиеся друг с другом пластинки, изготовленные из металла и его оксида (полупроводника), покрыты сверху тонким прозрачным слоем металла. Пограничный слой между металлом и его оксидом имеет одностороннюю электропроводность — электроны могут проходить лишь в направлении от оксида металла к металлу. Поток электронов, идущий в этом направлении, создается под действием света без всякого внешнего источника напряжения. Вентильный фотоэлемент непосредственно превращает энергию световой волны в энергию электрического тока, т.е. является источником тока. На этом принципе основано действие солнечных  батарей, которые устанавливаются на космических кораблях. Такие фото-элементы являются основной частью люксметров — приборов для измерения освещенности, а также фотоэкспонометров.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 561-564.

www.physbook.ru

Kvant. Фотоэффект — PhysBook

Черноуцан А.И. Несколько замечаний по поводу фотоэффекта //Квант. — 1989. — № 1. — С. 49-51.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

В школьном курсе физики вы познакомились с явлением фотоэффекта, т. е. испускания электронов веществом под действием света, и его закономерностями («Физика 10», глава 10). Что является главным в теории фотоэффекта? Конечно же, гипотеза световых квантов — фотонов. Фотоэффект можно представить как результат двух последовательных процессов: 1) поглощение кванта света электроном, 2) вылет электрона за пределы вещества. Если происходят оба процесса, явление правильнее называть внешним фотоэффектом. Если же поглощение фотонов не приводит к вылету электронов из вещества, но изменяет его электропроводность, то говорят о внутреннем фотоэффекте (обычно наблюдается в полупроводниках). Собственно фотоэффектом часто называют сам акт поглощения фотона электроном.

Возникает вопрос: может ли фотоэффект происходить на отдельно взятом свободном электроне? На первый взгляд — почему бы нет? Ведь мы же говорим: фотон поглощается электроном. При чем же здесь вещество? Возьмем электрон, посветим на него фонариком, и он начнет «глотать» фотоны и разгоняться! Оказывается, ничего не выйдет. Свободный электрон не сможет поглотить ни одного фотона. Он, правда, сдвинется с места, но причиной будет не поглощение, а рассеяние фотонов. Это тоже очень интересный процесс — известный вам эффект Комптона, в котором ярко проявляются квантовые свойства света, но... не фотоэффект.

Почему же фотон не может поглотиться свободным электроном? Проведем, как говорят математики, доказательство «от противного». Пусть электрон (покоящийся или движущийся) поглощает налетающий на него фотон, и при этом изменяется его скорость. Оказывается, такой процесс запрещен законами сохранения энергии и импульса. Это становится очевидным, если выбрать такую инерциальную систему отсчета, в которой электрон после фотоэффекта покоится. Смотрите сами. Что мы имеем в конечном состоянии? Покоящийся электрон и ничего больше. А в начальном состоянии? Движущийся электрон да еще и фотон впридачу. Энергия, действительно, не сохраняется.

Значит, фотоэффект «по всем законам» возможен только в присутствии третьего участника. В металлах, полупроводниках эту роль играют ионы кристаллической решетки. Но при подсчете энергии (например, в уравнении Эйнштейна для фотоэффекта) мы их не учитываем потому, что благодаря своей большой массе ионы обычно забирают очень малую часть энергии (играя при этом важную роль в законе сохранения импульса).

А возможен ли фотоэффект на отдельно взятом атоме (или молекуле) — например, в газе? Оказывается, да. Фотон поглощается одним из электронов атома, а лишний импульс уносится атомным ядром. Интересно отметить, что впервые фотоэффект был обнаружен Г. Герцем именно в опытах с газами (1887 г.). Он исследовал электрический пробой воздушного промежутка между электродами и обнаружил, что при облучении этого промежутка светом пробой наступает при меньшем напряжении.

Почему же в школьном курсе физики подробно обсуждается лишь внешний фотоэффект? Ведь при любом фотоэффекте происходит главное квантовое явление — поглощение фотона электроном. Все дело в том, что законы внешнего фотоэффекта достаточно просты и их сравнительно легко изучать экспериментально. При этом количественные характеристики фотоэффекта могут быть найдены как из самих экспериментов по внешнему фотоэффекту, так и независимыми способами. Поговорим об этом несколько подробнее.

Уравнение Эйнштейна

\(h \cdot \nu = A + \frac {m \cdot \upsilon ^2}{2}\)

содержит две непосредственно измеряемые величины: частоту света ν и максимальную кинетическую энергию выбиваемых электронов \(\frac {m \cdot \upsilon ^2}{2}\). Оптическими методами могут быть созданы пучки света с хорошо известными частотами ν. Для получения сведений о вылетающих электронах (количество электронов, выбиваемых за одну секунду, а также максимальная кинетическая энергия) из исследуемого металла изготовляют катод вакуумной лампы. Так как ток через лампу осуществляется как раз выбиваемыми электронами, то из вольтамперной характеристики лампы можно получить всю необходимую информацию. В частности, максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение Uз:

\(\frac {m \cdot \upsilon ^2}{2} = e \cdot U_3\)

Если для различных металлов нанести на график экспериментальные зависимости e•Uз от частоты света ν, то, в соответствии с уравнением Эйнштейна, получатся параллельные прямые (см. рисунок).

По наклону этих прямых можно вычислить постоянную Планка h, а по точкам пересечения графиков с осями — найти работу выхода А и предельную частоту νmin, называемую красной границей фотоэффекта. Как вы знаете, впервые понятие о квантовании энергии (Е = h•ν), в также постоянная h были введены М. Планком для объяснения законов теплового излучения. Из теории фотоэффекта получается такое же (с точностью до ошибок эксперимента) значение h, что сильно укрепило позиции квантовой теории.

А можно ли другим способом, кроме фотоэффекта, измерить работу выхода? Ответ напрашивается сам собой — надо как-то по-другому, без облучения светом, заставить электроны покидать вещество. Самое очевидное — нагревая катод, заставить электроны «испаряться» с его поверхности. Именно это явление — термоэлектронная эмиссия — используется в электронных лампах — диодах, триодах и т. п. Процесс испускания электронов действительно очень похож на испарение — наружу могут вылететь только самые быстрые электроны, энергия которых превышает работу выхода.

Для большинства металлов работа выхода имеет порядок нескольких электронвольт. Много это или мало? Оценим среднюю энергию теплового движения электронов по формуле, которая была получена для одноатомного газа:

\( \overline {E} = \frac {3}{2} k \cdot T.\)

При комнатной температуре (T ≈ 300 К) эта величина составляет несколько сотых долей электронвольта, т. е. в сотни раз меньше, чем работа выхода. Это означает, что количество электронов, которые покидают металл за счет теплового движения, при комнатной температуре очень мало (при изучении фотоэффекта это явление можно не учитывать). Чтобы «испарение» электронов стало заметным процессом, надо нагреть катод до нескольких тысяч градусов.

Исследуя зависимость числа испускаемых электронов от температуры, можно вычислить работу выхода. Полученные таким способом значения работы выхода хорошо согласуются с предсказаниями теории внешнего фотоэффекта, что является важным независимым подтверждением правильности ее основных положений.

www.physbook.ru

---

Смотрите также

• 
  Урология сегодня журнал
• 
  Крым журнал нива
• 
  Журнал богословские труды
• 
  Живой журнал л
• 
  Взрывное дело журнал
• 
  Vip premier журнал
• 
  Teamviewer журнал подключений
• 
  Журнал эшафот 1917
• 
  Frm журнал отзывы
• 
  Журнал frm отзывы
• 
  Русский евгенический журнал