Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
Пасля адкрьшця Планка пачала развівацца новая, самая сучасная і глыбокая фізічная тэорыя — квантавая тэорыя. Развіццё яе не завершана і па сённяшні дзень.
Планк паказаў шлях выхаду з цяжкасцей, з якімі сутыкнулася тэорыя цеплавога выпраменьвання. Але гэты поспех быў атрыманы цаной адказу ад законаў класічнай фізікі прымяняльна да мікраскапічных сістэм і выпраменьвання.
Раздзел 8
СВЕТЛАВЫЯ КВАНТЫ
Квантавым законам падпарадкоўваюцца паводзіны ўсіх мікрачасціц. Але ўпершыню квантавыя ўласцівасці матэрыі былі выяўлены пры даследаванні выпраменьвання і паглынання святла.
§ 66. ФОТАЭФЕКТ
У развіцці ўяўленняў аб прыродзе святла важны крок быў зроблены пры вьівучэнні адной надзвычайнай з’явы, адкрытай Г. Герцам і дасканала даследаванай выдатным рускім фізікам Аляксандрам Рыгоравічам Сталетавым. З’ява гэта атрымала назву фотаэфекту.
Фотаэфектам называюць вырыванне электронаў з рэчыва пад дзеяннем святла.
185
Сталетаў Аляксандр Рыгоравіч (1839—1896) — рускі фізік. Даследаванне фотаэфекту прынесла Сталетаву сусветную вядомасць. Сталетаў паказаў таксама магчымасць прымянення фотаэфекту на практыцы. У доктарскай дысертацыі «Даследаванне аб функцыі намагнічання мяккага жалеза» ён распрацаваў метад даследавання ферамагнетыкаў і ўстанавіў від крывой намагнічання. Гэта работа шырока выкарыстоўвалася на практыцы пры канструяванні электрычных машын. Многа сіл аддаў Сталетаў развіццю фізікі ў Расіі. Ен з'явіўся ініцыятарам стварэння фізічнага інстытута пры Маскоўскім універсітэце.
Назіранне фотаэфекту. Для выяўлення фотаэфекту можна выкарыстаць электрометр з далучанай да яго цынкавай пласцінай (рыс. 156). Калі зарадзіць пласціну дадатна, то асвятленне пласціны, напрыклад электрычнай дугой, не ўплывае на хуткасць разрадкі электрометра. Але калі пласціну зарадзіць адмоўна, то светлавы пучок ад дугі разраджае электрометр вельмі хутка.
Растлумачыць гэта можна адзіным шляхам. Святло вырывае электроны з паверхні пласціны. Калі яна зараджана адмоўна, электроны адштурхваюцца ад яе і электрометр разраджаецца. Пры дадатным жа зарадзе пласціны вырваныя святлом электроны прыцягваюцца да пласціны і зноў асядаюць на ёй. Таму зарад электрометра не змяняецца.
Аднак, калі на шляху святла пастаўлена звычайнае шкло, адмоўна зараджаная пласціна ўжо не губляе электроны, якая б ні была інтэнсіўнасць выпраменьвання. Паколькі вядома, што шкло паглынае ультрафіялетавыя прамені, то з гэтага доследу можна зрабіць вывад, што іменна ультрафіялетавы ўчастак спектра выклікае фотаэфект. Гэты сам па сабе нескладаны факт нельга растлумачыць на аснове хвалевай тэорыі святла. Незразумела, чаму светлавыя хвалі малой частаты не могуць вырываць электроны, калі нават амплітуда хвалі вялікая і, значыць, вялікая сіла, што дзейнічае на электроны.
Законы фотаэфекту. Для таго каб атрымаць аб фотаэфекце больш поўнае ўяўленне, трэба высветліць, ад чаго залежыць лік вырваных святлом з паверхні рэчыва электронаў (фотаэлектронаў) і чым вызначаецца іх скорасць або кінетычная энергія. 3 гэтай мэтай былі праведзены эксперыментальныя даследаванні, якія заключаліся ў наступным. У шкляны балон, з якога выпампавана паветра, змяшчаюцца два электроды (рыс. 157). Унутр балона на адзін з электродаў паступае святло праз кварцавае «акенца», празрыстае не толькі для бачнага святла, але і для ультрафіялетавага выпраменьвання. На электроды падаецца напружанне, якое можна мяняць з дапамогай патэн
186
Рыс. 156
Рыс. 157
цыяметра і вымяраць вальтметрам. Да асвятляемага электрода далучаюць адмоўны полюс батарэі. Пад дзеяннем святла гэты электрод выпрам'еньвае электроны, якія пры руху ў электрычным полі ўтвараюць электрычны ток. Пры малых напружаннях не ўсе вырваныя святлом электроны дасягаюць другога электрода. Калі, не мяняючы інтэнсіўнасці выпраменьвання, павялічваць рознасць патэнцыялаў паміж электродамі, то сіла току нарастае. Пры некаторым напружанні яна дасягае максімальнага значэння, пасля чаго перастае павялічвацца (рыс. 158) Максімальнае значэнне сілы току /н называецца токам насычэння. Ток насычэння вызначаецца лікам электронаў, выпрамененых за 1 с асвятля
емым электродам.
Змяняючы ў гэтым доследзе інтэнсіўнасць выпраменьвання, удалося ўстанавіць, што колькасць электронаў, якія вырываюцца святлом з паверхні металу за 1 с, прама прапарцыянальная паглынаемай за гэты час энергіі светлавой хвалі. У гэтым нічога нечаканага няма: чым большая энергія светлавога пучка, тым
больш эфектыўнае яго дзеянне.
Цяпер спынімся на вымярэнні кінетычнай энергіі (або скорасці) электронаў. 3 графіка, прыведзенага на рысунку 158, відаць, што сіла фотатоку адрозніваецца ад нуля і пры нулявым напружанні. Гэта азначае, што частка вырваных святлом электронаў дасягае правага (гл. рыс. 157) электрода і пры адсутнасці напружання. Калі змяніць палярнасць батарэі, то сіла току
паменшыцца і пры некаторым напружанні U3 адваротнай палярнасці яна стане роўнай нулю. Гэта значыць, што электрычнае поле тармозіць вырваныя электроны да поўнага спынення, а затым вяртае іх на электрод.
Затрымліваючае напружанне U3 залежыць ад максімальнай кінетыч
Рыс. 158
187
най энергіі, якую маюць вырваныя святлом электроны. Вымяраючы затрымліваючае напружанне і прымяняючы тэарэму аб кінетычнай энергіі (гл. падручнік фізікі для IX класа, § 44), можна знайсці максімальнае значэнне кінетычнай энергіі’ электронаў:
2 — eU3.
Пры змяненні інтэнсіўнасці святла (шчыльнасці патоку выпраменьвання) затрымліваючае напружанне, як паказалі доследы, не мяняецца. I эта азначае, што не мяняецца кінетычная энергія электронаў. 3 пункту гледжання хвалевай тэорыі святла гэты факт незразумелы. Чым большая ж інтэнсіўнасць святла, тым большыя сілы дзейнічаюць на электроны з боку электрамагнітнага поля светлавой хвалі і тым большая энергія, здавалася б, павінна перадавацца электронам.
На доследах было выяўлена, што кінетычная энергія вырываемых святлом электронаў залежыць толькі ад частаты святла. Максімальная кінетычная энергія фотазлектронаў лінейна ўзрастае з частатой святла і не залежыць ад інтэнсіўнасці святла. Калі частата святла меншая за вызначаную для дадзенага рэчыва мінімальную частату vmin, то фотаэфект не адбываецца.
Закон фотаэфекту просты па форме. Але залежнасць кінетычнай энергіі электронаў ад частаты выглядае загадкава.
■ 1. Чаму роўна пастаянная Планка? 2. У чым заключаецца асноўны закон фотаэфекту?
§ 67. ТЭОРЫЯ ФОТАЭФЕКТУ
Усе спробы растлумачыць з’яву фотаэфекту на аснове законаў электрадынамікі Максвела, згодна з якімі святло — гэта электрамагнітная хваля, бесперапынна размеркаваная ў прасторы, аказаліся безрэзультатнымі. Нельга было зразумець, чаму энергія фотаэлектронаў вызначаецца толькі частатой святла і чаму толькі пры малой даўжыні хвалі святло вырывае электроны.
. Тлумачэнне фотаэфекту было дадзена ў 1905 г. Эйнштэйнам, які развіў ідэі Планка аб перарывістым выпраменьванні святла. У эксперыментальных законах фотаэфекту Эйнштэйн убачыў пераканаўчы доказ таго, што святло мае перарывістую структуру і паглынаецца асобнымі поруыямі. Энергія Е кожнай порцыі выпраменьвання ў поўнай адпаведнасці з гіпотэзай Планка прапарцыянальная частаце:
E = hv, (8.1)
дзе h — пастаянная Планка.
3 таго што святло, як паказаў Планк, выпраменьваецца порцыямі, яшчэ не вынікае перарывістая структура самога святла.
188
I мінеральную ж ваду прадаюць у бутэльках, але адсюль зусім не вынікае, што вада мае перарывістую структуру і складаецца з непадзельных частак. Толькі з’ява фотаэфекту паказала, што святло мае перарывістую структуру: порцыя светлавой энергіі Е = hv, якая выпраменьваецца, захоўвае сваю індывідуальнасць і далей. Паглынуцца можа толькі ўся порцыя цалкам.
Кінетычную энергію фотаэлектрона можна знайсці, прымяніўшы закон захавання энергіі. Энергія порцыі святла hv ідзе на выкананне работы выхаду А, г. зн. работы, якую трэба выканаць для таго, каб вырваць электрон з металу, і на наданне электрону кінетычнай энергіі. Значыць,
hv = A+~. (8.2)
Гэта ўраўненне тлумачыць асноўныя факты, якія датычацца фотаэфекту. Інтэнсіўнасць святла, па Эйнштэйну, прапарцыянальная ліку квантаў (порцый) энергіі ў светлавым пучку і таму вызначае лік электронаў, вырваных з металу. Скорасць жа электронаў згодна з (8.2) вызначаецца толькі частатой святла і работай выхаду, якая залежыць ад роду металу і стану яго паверхні. Ад інтэнсіўнасці святла яна не залежыць.
Для кожнага рэчыва фотаэфект назіраецца толькі ў тым выпадку, калі частата v святла большая, чым мінімальнае значэнне vmjn. Каб вырваць жа электрон з металу нават без надання яму кінетычнай энергіі, трэба зрабіць работу выхаду А. Значыць, энергія кванта павінна быць большай за гэту работу:
hv> А.
Гранічную частату vmin называюць чырвонай мяжой фотаэфекту. Яна выражаецца так:
Vmin = у (8.3)
Работа выхаду А залежыць ад роду рэчыва. Таму і межавая частата vmin фотаэфекту (чырвоная мяжа) для розных рэчываў розная.
Для цынку чырвонай мяжы адпавядае даўжыня хвалі Хтах = = 3,7107 м (ультрафіялетавае выпраменьванне). Менавіта гэтым тлумачыцца дослед па спыненню фотаэфекту з дапамогай шкляной пласцінкі, якая затрымлівае ультрафіялетавыя прамені.
Работа выхаду ў алюмінію або жалеза большая, чым у цынку. Таму ў доследзе, які апісаны ў § 65, скарыстоўвалася цынкавая пласціна. У шчолачных металаў работа выхаду, наадварот, меншая, а даўжыня хвалі Хтах> адпавядаючая чырвонай мяжы,— большая. Так, для натрыю Xmax = 6,8 107 м.
Карыстаючыся ўраўненнем Эйнштэйна (8.2), можна знайсці пастаянную Планка h. Для гэтага трэба эксперыментальна вы
189
значыць частату святла v, работу выхаду А і вымераць кінетычную энергію фотаэлектронаў. Такога роду вымярэнні і разлікі даюць /і = 6,63 • 1034 Дж • с. Дакладна такое ж значэнне было знойдзена Планкам пры тэарэтычным вывучэнні зусім іншай з’явы — цеплавога выпраменьвання. Супадзенне значэнняў пастаяннай Планка, атрыманых рознымі метадамі, пацвярджае правільнасць дапушчэння аб перарывістым характары выпраменьвання і паглынання святла рэчывам.
Ураўненне Эйнштэйна (8.2), нягледзячы на сваю прастату, тлумачыць асноўныя заканамернасці фотаэфекту. Эйнштэйн быў узнагароджаны Нобелеўскай прэміяй за працу па тэорыі фотаэфекту.
КНІГІ ОНЛАЙН
