Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

к. п. д. Лампа становится экономичней, но через короткое время такого ненормального режима нить разрушается. В настоящее время применяются лампы, в которых наряду с азотом или криптоном введен пар иода, заметно уменьшающий испарение металла раскаленной нити и допускающий повышение температуры накала лампы.

§ 181. Оптическая пирометрия. Сплошные спектры испускания накаленных тел сравнительно мало отличаются друг от друга и поэтому мало пригодны для распознавания природы тел. Однако изучение р а с п р е д е л е н и я э н е р г и и в спектре раскаленного тела приводит к важным заключениям. Это распределение для различных тел довольно близко по своему характеру. Ограничимся рассмотрением излучения раскаленного угля.

Рис. 329. График распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела при различных температурах: по оси ординат отложена интенсивность излучения, по оси абсцисс — длина волны

Рис. 329 дает представление о распределении энергии в спектре угля и об изменении распределения с температурой. Кривые показывают, что излучение охватывает не только видимую, но и инфракрасную и ультрафиолетовую области спектра, причем максимум излучаемой

422 Гл. XX. Спектры и спектральные закономерности

энергии для большей части температур, указанных на рисунке, приходится на долю инфракрасных лучей. Область, относящаяся к видимому свечению, заштрихована. Из рис. 329 видно, что эта область составляет малую часть всего излучения. По мере повышения температуры растет общая излучаемая энергия (кривая становится выше) и заметно увеличивается доля видимого излучения, что соответствует сказанному в § 180.

Обращает на себя внимание тот факт, что место, соответствующее максимуму излучения, по мере повышения температуры перемещается в область более коротких волн. Тщательное изучение и теоретический анализ явления показывают, что п о л о ж е н и е э т о г о м а к с и м у- м а з а в и с и т т о л ь к о о т т е м п е р а т у р ы излучающего тела.

Строго говоря, эти заключения относятся к излучению абсолютно черного тела. Однако их можно без большой ошибки применять также к излучению раскаленных металлов и к излучению Солнца. Это обстоятельство позволяет использовать описанный закон для решения важной задачи определения температуры светящихся тел. Применение этого приема к Солнцу показывает, что максимум излучения Солнца лежит около 500 нм, т. е. в желто-зеленой части спектра, чему соответствует температура около 5800 К. Эта так называемая эффективная температура Солнца характеризует его поверхность и ничего, конечно, не говорит о внутренних слоях Солнца, где, по-видимому, температура доходит до нескольких миллионов кельвин.

Указанный прием определения температуры раскаленных тел находит себе применение как в научных, так и в технических задачах и носит название оптической пирометрии. С его помощью определяют температуру раскаленного волоска ламп накаливания, температуру расплавленного металла в плавильных печах и т. д.

Г л а в а XXI. ДЕЙСТВИЯ СВЕТА

§ 182. Действия света на вещество. Фотоэлектрический эффект. Световая волна, падающая на тело, частично отражается от него, частично проходит насквозь, частично п о г л о щ а е т- с я (см. § 76). В большинстве случаев энергия поглощенной световой волны целиком переходит во внутреннюю энергию вещества, что приводит к нагреванию тела. Нередко, однако, известная часть этой поглощенной энергии вызывает и другие явления. Очень важными действиями света, получившими большие практические применения, являются фотоэлектрический эффект, фотолюминесценция и фотохимические превращения.

Рис. 330. Фотоэффект: под действием света металл теряет отрицательные заряды

Простейший опыт, обнаруживающий фотоэлектрический эффект (фотоэффект), уже был описан в томе II, § 9. Хорошо очищенная цинковая пластинка 1 (рис. 330) прикреплена к электроскопу 2 и освещается источником 3, богатым ультрафиолетовым

424 Гл. XXI. Действия света

излучением (электрическая дуга или кварцевая ртутная лампа). Если электроскоп заряжен о т р и ц а т е л ь н о, то под действием света ртутной лампы он разряжается. Разряд происходит тем быстрее, чем больше освещенность пластинки, т. е. чем больше световой поток, падающий на пластинку. Явление разряда не происходит, если на пути лучей помещено стекло 4, задерживающее ультрафиолетовое излучение. Если электроскоп заряжен п о л о ж и т е л ь н о, то заряд на нем сохраняется, несмотря на освещение.

Из этих опытов, равно как из других, им подобных, можно прийти к следующим заключениям. О т р и ц а т е л ь н ы й з а-

металла, несмотря на освещение. Этот важный вывод, показывающий, что эффект наблюдается лишь в том случае, когда освещаемая пластинка соединена с отрицательным полюсом батареи, впервые с полной определенностью был установлен русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839–1896). В случае цинковой пластинки существенное значение для явления имеет освещение ультрафиолетовым излучением.

Описанный опыт показывает различие в свойствах отрицательных и положительных зарядов, входящих в состав металла. Первые представляют собой электроны, слабо связанные с металлом и могущие легко перемещаться в металле (проводимость) и сравнительно легко удаляться за его пределы (фотоэффект). Вторые же являются положительными ионами, составляющими решетку этого металла, так что вырывание их есть не что иное, как распыление самого металла. Если металл заряжен отрицательно, то освобожденный электрон удаляется прочь от металла под действием электрического поля, созданного заряженным металлом. В случае положительного заряда электроны, которые всегда имеются в металле, могли бы быть также освобождены светом. Но электрическое поле, имеющееся вокруг положительно заряженного тела, т о р м о з и т вылетевшие электроны и стремится вернуть их обратно к телу. Поэтому, если кинетическая энергия вылетевшего электрона (а следовательно, и его скорость) недостаточно велика, то электроны, несмотря на действие света, не могут покинуть пластинку, и положительный заряд ее остается неизменным.

Способность света вызывать отделение электронов от металла является одним из важнейших доказательств электромагнитного характера световой волны. Под действием электрического поля световой волны электрон получает энергию, достаточную

для того, чтобы, несмотря па действие сил, удерживающих его, вырваться за пределы металла. Однако ознакомление с законами фотоэффекта показывает, что дело обстоит значительно сложнее.

§ 183. Законы фотоэлектрического эффекта. Изложенное в § 182 показывает, что фотоэффект характеризуется ч и с л о м

Чем больше число вылетающих за единицу времени электронов, тем быстрее идет разряд электрометра; чем больше скорость электронов, тем более сильное тормозящее поле надо применить, чтобы воспрепятствовать их удалению из пластинки. Для измерения этих двух важнейших характеристик фотоэффекта — силы тока и скорости электронов — служит опыт, схематически изображенный на рис. 331.

Рис. 331. Схема опыта по измерению фототока и скорости фотоэлектронов: 1 — освещаемая пластинка (катод), 2 — вспомогательный электрод (анод), 3 — окошко, прозрачное для ультрафиолетового излучения, 4 — движок потенциометра

Пластинка 1, из которой освобождаются фотоэлектроны, присоединена к одному полюсу батареи, второй полюс которой соединен через потенциометр и гальванометр с пластинкой 2. Обе пластинки 1 и 2 заключены в сосуд, из которого откачивается воздух для того, чтобы столкновения электронов с молекулами газа не вносили осложнения в наблюдаемые явления, а также для того, чтобы предохранить пластинки от окисления.

предельная разность потенциалов U между освещаемой пластинкой и стенами лаборатории (землей), возникновение которой будет препятствовать дальнейшему уходу электронов с пластинки? В условиях опыта, изображенного на рис. 330, эта разность потенциалов определяется по показаниям электрометра. На поставленный вопрос нетрудно ответить, пользуясь основными соотношениями, приведенными выше:

где e — элементарный заряд 1). Сделав соответствующее вычисление для пластинки вольфрама (для которого, как сказано, A = 7,2 × × 10−19 Дж), освещаемой ультрафиолетовым излучением с длиной волны λ = 200 нм, мы найдем, что U ≈ 1,7 В. Другими словами, для того чтобы наблюдать на опыте явление положительной зарядки металла под действием излучения, надо располагать чувствительным электрометром или работать с излучением очень короткой длины волны, например с рентгеновским (см. упражнение 37 в конце главы). Найдя в соответствующем опыте U , мы можем использовать эти данные для определения длины волны рентгеновского излучения.

§ 184. Понятие о световых квантах. Закон, сформулированный в конце предыдущего параграфа, вносит совершенно новые черты в представление о свете. Он означает, что свет часто-

с т и ч е с к и й х а р а к т е р; энергия света данной частоты ν не может делиться на произвольные части, а проявляет себя в виде совершенно определенных равных порций — «атомов световой энергии». Для этих порций энергии установлено специальное название; они именуются световыми квантами или фотонами. Представление о световых квантах было введено Эйнштейном 2) в 1905 г.

1) Соотношение A + mv2/2 = hν называется формулой Эйнштейна. Оно справедливо для максимальной скорости электронов, вылетающих из пластинки под действием излучения частоты ν. В силу ряда причин не все электроны, покидающие пластинку, имеют эту максимальную скорость.

2) Альберт Э й н ш т е й н (1879–1955) — выдающийся ученый, один из создателей современной физики. Родился в Германии, работал в Швейцарии и Германии. После прихода к власти нацистов эмигрировал в США.

То обстоятельство, что в большинстве оптических опытов мы не обнаруживаем квантового характера световой энергии, не является удивительным. Действительно, h — очень малая величина, равная 6,6 · 10−34 Дж · с. Вычислим энергию кван-

гия, с которой мы имеем дело в большинстве опытов, состоит из очень большого числа квантов; естественно, что при этом остается незамеченным, что энергия эта всегда равна ц е л о м у ч и с л у квантов. Аналогично, большинство опытов с обычными порциями вещества всегда охватывает очень большое количество атомов вещества; поэтому мы не можем заметить в этих опытах, что данное вещество состоит из ц е л о г о ч и с л а минимальных порций — атомов. Требуются специальные опыты, в которых атомистическое строение вещества выступает вполне отчетливо. Совершенно так же в большинстве обычных оптических опытов от нашего внимания ускользает то обстоятельство, что световая энергия состоит из отдельных световых квантов. В специальных же опытах, к которым и относятся вышеприведенные опыты по фотоэлектрическому эффекту, с полной ясностью выступает к в а н т о в а я п р и р о д а с в е т о в о й э н е р г и и.

Квантовый характер имеет не только фотоэффект, но и многие другие явления оптики, атомной и молекулярной физики.

Крайне важно, что во всех таких явлениях играет роль фундаментальная постоянная, которую мы обозначили буквой h. Эта постоянная в настоящее время определена из измерений, относящихся к весьма различным явлениям, и числовые значения, найденные при этом, превосходно согласуются друг с другом.

Представление о световых квантах позволяет легко понять смысл первого основного закона фотоэффекта — п р о п о р ц и- о н а л ь н о с т ь м е ж д у с в е т о в ы м п о т о к о м и ф о т о- т о к о м; световой поток, т. е. энергия, приносимая светом за единицу времени, определяется ч и с л о м с в е т о в ы х к в а н- т о в, поступающих за единицу времени. Ясно, что чем больше это число, тем больше электронов приобретет дополнительную энергию, приносимую этими квантами, и тем больше электронов вылетит из освещенного металла за единицу времени, т. е. тем сильнее будет фототок. Конечно, это не означает, что число вылетевших электронов должно быть равно числу квантов, попавших за то же время в металл. Не всякий квант сообщает свою энергию отдельному электрону. Значительная часть энергии будет распределена между атомами металла и поведет

к нагреванию его. Действительно, опыт показывает, что лишь малая часть (меньше 1 %) 1) световой энергии обычно переходит в энергию вылетевших электронов. Остальная же часть поглощенных световых квантов ведет к нагреванию металлов.

§ 185. Применение фотоэлектрических явлений. Изучение законов фотоэффекта дало очень много для углубления наших знаний о свете. Поэтому фотоэлектрические явления имеют очень большое научное значение. В то же время и практическое (техническое) значение фотоэффекта очень велико. Особенно возросли возможности разнообразных применений фотоэффекта после того, как научились изготовлять фотоэлементы, чувствительные не только к ультрафиолетовому излучению, как это было описано в § 184, но и к инфракрасному излучению и к видимому свету.

Соотношение A + 1/2mv2 = hν показывает, что при уменьшении ν, т. е. увеличении длины волны падающего света, скорость

вырываемых электронов уменьшается. Когда ν = Ah , то v = 0.

Это значит, что при соответствующей частоте электроны не могут отделиться от металла, т. е. фотоэффект не имеет места.

Таким образом, для каждого металла существует п р е д е л ь- н а я длина волны света, способного вызвать фотоэффект. Если падающий свет имеет длину волны больше предельной, то фотоэффект не возникает, как бы ни был интенсивен свет. Поэтому, например, для наблюдения фотоэффекта на цинке необходимо было прибегать к ультрафиолетовому излучению, ибо работа выхода для цинка довольно велика (AZn = 6,8 · 10−19 Дж). При работе с другими веществами можно увеличить λ, ибо работа выхода для них меньше; удобны щелочные металлы (натрий, калий, рубидий и особенно цезий: ACs = 3 · 10−19 Дж). Еще значительнее понижается работа выхода, если обработать поверхность этих металлов, покрыв их соответствующей пленкой. Благодаря этому удалось получить поверхности, чувствительные не только к видимому, но даже и к инфракрасному свету.

Фотоэлементы, удобные для практических применений, изготовляют в виде эвакуированного стеклянного баллона, на внутренней поверхности которого нанесен слой чувствительного металла. Нередко в баллон вводят некоторое количество нейтраль-

1) Как уже упоминалось в § 65, в настоящее время удается для получения фототока использовать до 15 % энергии света. Цифра, приводимая в тексте, относится к явлениям фотоэффекта, наблюдаемым при освещении м е т а л- л о в.