Landsberg-1985-T3

электрического поля световой волны электрон получает

энергию, достаточную для того, чтобы, несмотря на действие

сил, удерживающих его, вырваться за пределы металла.

Однако ознакомление с законами фотоэффекта ПОЕззывает,

что дело обстоит значительно сложнее.

§ 183. Законы фотоэлектрического эффекта. Изложенное

в § 182 показывает, что фотоэффект характеризуется ч и с­ л о м э л е к т р о н о в, освобождаемых светом за единицу времени (т. е. силой Ф о т о т о к а), и с к о р о с т ь ю этих электронов. Чем больше число вылетающих за единицу времени электронов, тем быстрее идет разряд электрометра; чем больше скорость электронов, тем более сильное тормозя­ щее поле надо применить, чтобы воспрепятствовать их уда­

лениЮ из пластинки. Для измерения этих двух важнейших

рис. 331.

Пластинка 1, ИЗ которой освобождаются фотоэлектроны, присоединена к одному полюсу батареи, второй полюс которой соединен через потенциометр и гальванометр () пластинкой 2. Обе пластинки 1 и 2 заключены в сосуд, из

424

которого откачивается воздух для того, чтобы столкнове­

ния электронов с 1\I0лекулами газа не Вносили осложнения

в наблюдаемые явления, а также для того, чтобы предохра­

нить пластинки от окисления. Ультрафиолетовое пзлуче­

нне, падающее на пластинку 1, проникает через кварцевое

окошко 3. Электроны, вылетающие из пластинки 1, попада­ ют в электрическое поле, имеющееся между обеими пластин­ ками. Напряжение между пластинкаl\lИ можно изменять

путеl\l перемещения движка 4 потенциометра.

Если ПО.1е достаточно сильно и напраВ.'1ено так, что оно

УВ.'Iекает электроны от пластины 1 к пластинке 2, то все вылетевшие электроны достигают пластинки 2, а следова­ тельно, через гальванометр идет ток, который определяется

числом электронов, освобождаемых светом за единицу вре­

мени. Этот ток, называемый тОКОА! насыщения, и определяет силу фототока. Если же поле тормозит электроны, то, сде­

лав его достаточно сильным, можно задержать в с е выле­

тевшие электроны. По напряженности задерживающего

по.'1я l\ЮЖНО определить скорость вылетающих электронов.

Пусть скорость вылетающего электрона равна v, его

масса т и заряд -е *). Кинетическая энергия этого элект-

рона paB~a {mV2. Обладая такой энергией, электрон может

про.'1ететь сквозь тормозящее поле, создаваемое разностью

1

потенциалов и, если еи меньше или равно "2mV2. Опреде-

лив то н а и l\I е н ь ш е е значение и, которое задерживает электроны, освобожденные светом, мы найдем скорость этих

электронов из условия

Исс.Т[едование при помощи опытов, подобных описанному, установило следующие законы фотоэффекта.

1. Число алеюпронов, освобожденных светом за едtmuцу epeJueftu (т. е. ток насыщения), прямо nроnорцuонально

световому потоку.

2. Скорость вылетающих фотоэлектронов не зависит от

освеЩeftности, а определяется частотой света.

Схема, изображенная на рис. 331, непригоДна для т о ч I! Ы Х изме­ рений. При расстоянии между пластинами, большом по сравнению с их размерами, не удается перехватить все электроны, освобожденные све-

*) Здесь буквой е обозначен элементарный заряд, т. е. ПО.1Jожитель­ ный заряд, равный абсолютной величине заряда электрона. Сам заряд

электрона отрицателен ~ равен - е. (Прu:меч. ред.)

425

том (ПОЛУЧИТЬ истинное значение силы тока иасыщения), и затруднитель­

но установить точное значение и, определяющее скорость фотоэлектро­

нов. Более совершенным является предложенный П. И. Лукирским при­

бор, в котором электроды образуют с Ф е р и ч е с к и й конденсатор: один электрод - небольшой шарик в центре сферы, поверхность которой образует второй электрод. Такой прибор позволяет надежно определять ток насыщения и задерживающий потенциад и, а следовательно. опре­

делять фототок и максима.'1ЬНУЮ скорость вьmетающих эдектронов.

Естественно возникает вопрос, как зависят количество и скорость освобождаемых светом электронов от вещества

освещенного металла.

Исследование вылета электронов из нагретых металлов (см. том 11, §§ 89 и 90) показало, что каждому веществу соответствует своя работа 8ыхода, т. е. каждый металл

характеризуется определенной энергией, которую необхо­

димо сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла. К совершенно

тем же выводам мы приходим, изучая испускание электронов

п о Д Д е й с т в и е м с в е т а. для некоторых металлов удалось определить работу выхода как при помощи явления

испускания электронов при нагревании, так и при помощи

фотоэлектрического эффекта. Оба метода дали одни и те же значения. Так, например, д.1Я вольфрама получены следую­ щие значения работы выхода:

Пусть из некоторого металла, для которого работа выхода равна А, под действием света частоты 'V вырываются

электроны со скоростью V, т. е. обладающие кинетической

энергией ; mv2 • Таким образом, вся энергия, сообщенная

1

каЖДОl\lУ электрону, W = А +"2 mv2 • Опыты, подобные опи-

санным выше, показали, что полная энергия, сообщаемая

электрону светом, прямо пропорuиональна частоте света,

постоянной. ОНа получила название постояннОЙ Планка

в честь немецкого физика Макса Планка. Из описанных

опытов можно определить h, ибо величины А, mv2 и 'V могут быть измерены. Для h получено значение 6,6·10-34 Дж·с.

426

Пользуясь найденными СООТIIошениями, второй заI(ОН фотоэффекта можно формулировать так: полная энергия,

получаемая ЭЛ,Екmроно.« от света частоты v, равна hv.

Испуская поддеЙСТВИСУI света электроны. металл должен заряжать­ ся положительно. Вс.lедствие этого возникает Э.1Jектрнческое ПО,lе, з а­ т р у д н я ю щ е е дальнейшее испускание Э.1Jектронов. Какова же пре­

дельная разность потенциалов И между освещаемой пластинкой и

стенами лаборатории (землеii), возникновение которой будет пре­

пятствовать дальнейше~IУ УХО;1У электронов с пласТIIНКИ? В условиях

опыта, изображенного на рис 330, эта разность потенциалов определя­

ется по показаниш\ ЭЛС]ПРО\lетра. На поставленный вопрос нетруд­

но ответить, пользуясь ОСНОПIJЫМН соотношеНИЯ~I!I, приведеllНЫМII

выше:

и

где e-Э,lе'.!ентарныЙ заряд *'1, С"е,lаВ соответствующее вычисление для П,13СТl!НКlI ВО,lьфрю!а (1,151 ]{OТOrOrO, как сказано, A=7,2·IO-1O Дж),

113 опыте ЯВ,lение по,10жIIтс,lыoiii заrя;ши 1>!етал,13 под деЙствиt'.! ИЗ,'у­

чеНI!51, надо распо,ыгать ЧУВСТIJI!ТС.ГJЬНЫ',I Э,1ектро~!етроУ1 иш] работать

с JIз,тучеЮ!б! очень короткой Д,1НIIЫ БО,ll!Ь!, напр!!\!ер с реНТГСНОIJСJ{ИМ

(см. упражненпе 37 в кшще г.ЫIJЫ). Найдя в соответствующе'.! опыте L'

l.ibI можем ИСПО.1ЬЗОВJТЬ эти /\аIlIlЫС Д,lЯ опреде,lения ;ЦIIНЫ ВО,lНЫ рент­

геновского излучения.

§ 184. Понятие о световых квантах. Закон, СФОРМУ,11!IЮВ31I­

ный в конце ПРС;\hlДУIЦСГО параграфа, вносит cOBepIIICI!J1O

новые черты в предстаВ,lеllие о свете. Он означает, что свет частоты v сообщает электрону энеРГIIЮ, равную Irv, к а к 0- в а б ы н п б hl .1 а н Н т е н с п в н о с т ь с в е'Т а.

проявляет себя в виде совершенно опреде,lенных равных порций - «ато:'.юв световой энергию>. Д.1Я этих rЮРЦI!i\

энергии установлено специальное название; они и\!енуются

*) СООТНОШСIIНС А+mи2 '2 chv называется фор~!улой ЭЙнштсЙна.

Оно справедливо ДЛЯ максимальной скорост]] электронов, вылстающих из плаСТИНКII ПО.,\ }\сйствисм излучения частоты у, В силу ряда причин

не все электроны, ПОЮlдающие пластинку, имеют эту максимаm,ную

скорость,

427

световыми квантами или фотонами. Представление ()

световых квантах было введено Эйнштейном *) в 1905 г.

То обстоятельство, что в большинстве оптических опы­

тов мы не обнаруживаем квантового характера световой

энергии, не является удивительным. действительно, h --

очень малая величина, равная 6,6·10-04 ДЖ·С. Вычислим

энергию кванта зеленого света, например, для л=500 нм.

Соответствующее v=с/Л=3· 108/5· 10-7=6·1014 ГЦ и, следо­

вательно, hv=4· 10-19 Дж; это - очень маленькая величи­ на. Энергия, с которой l\lbI имеем дело в большинстве опы­

тов, состоит из очень большого числа квантов; естественн(),

что при этом остается незамеченным, что энергия эта всегда

равна Ц е л о м у ч и с л у квантов. Аналогично, БОЛЬJlll!lI­

ство опытов С оБЫЧIIЫМИ порциями вещества всегда ()хваты­

вает очень большое к()личество атомов вещества; ПОЭТ();\IУ

мы не можем за\!еп!Ть в ЭТИХ опытах, что данное вещеспю

состоит из ц е л () г о ч и с л а :vrинимальных порциi!-­

атомов. Требуются специальные опыты, в которых аТО\IИС­

тическое строеI1ие вещества выступает ВПО,lне отчеТ,lI!ВО.

Совершенно Tal{ же в БО,lьшинстве обычных оптических

опытов от нашего ВНЮIания ускользает то обстоятел,спю,

что световая энергия состоит из отдельных световых кпан­

тов. В специалы1хx же опытах, к которым и отноС5!ТСН

вышеприведенные ()IlЫТЬ! по фотоэлектрическому эффекту,

с полной ЯСНОСТЫО выступает к в а н т о в 3 Н при р о Д d С В е т о в о й э н е р г и и.

Квантовый хар,нпср имеет не только фотоэффект, но и многие дру­ гие явления ОIIТИJШ, атомной и молекулярной физика.

Крайне важно, '!то 130 всех такпх явлениях играет роль фУНДiiМСП'

таЛhнан постоянная, которую мы обозначит! буквой 11. Эта ПОСТОНlIнап

в настоящее времп ОIlределена из измерений, относящихсп к весьыа ра,,· личным явлениям, и числовые зна'!еНIIЯ, найденные при этом, HPCBO'~'

ходно согласуютrн JlPYf с другом.

ПредстаВ,lеНI!е о световых квантах позволяет легко по­

энергия, ПРШЮСИ!\lая свето:\! за единицу времени, определя­

ется ч и с л о м С в е т о в ы х к в а н т о в, поступаЮЩIIХ

З3 единицу bpC:-'IенrJ. Ясно, что ч('ы БО,lьше это ЧИС10, 1СЧ больше электронов приобретет допоm-lИте,lЬНУЮ энергию,

приноси~ую эти;\!и квантами, и тем больше электронов выле-

*) Альберт Эй н ш те й н (I879-19SS)-выдающийся ученый, один

из создателей соврсменной физики. Родился в Германии, работал в

Швейuарии 11 Германии. После ,прихода к власти нацистов эмигрироаал

веША.

428

'Гит из освещенного металла за единицу времени, т. е. тем

СJlльнее будет фототок. Конечно, это не ОЗП3Ч:Jет, что число

вылетевших электронов должно быть равно числу квантов,

попавших за то же время в металл. Не всякий квант сооб­ щает свою энергию отдельному электрону. ЗнаЧllТеоlьная

часть энергии будет распределена между атома~ш ;\Iсталла JJ поведет к нагреванию его. Действительно, опыт показы­

вает, что лишь l\!алая часть (меньше 1%) *) световой энергии

обычно переходит в энергию вылетевших электронов. Ос­

та.lьная же часть поглощенных световых квантов ведет к

нагреванию ыетал:юв.

§ ] 85. Применение фотоэлектрических явлении. Изучение

законов фотоэффеlпа дало очень много для углуБJleI1ИЯ на­

ших знаний о свете. ПОЭТО~IУ фотоэлектрические явлеlIИЯ

J!меют очень большое научное значение. В то же время и

лраКТllческое (техническое) значение фотоэффекта очень

веЛIIКО. Особенно возросли возможности раЗlIообразных при­

ыенений фотоэффекта после того, Kal{ научились изготов­

лять фотоэлементы, чувствительные не TO.'lЬKO к ультрафио­

.1етовому ИЗ.1учению, как это было описано в § 184, JJO н К

инфракрасному излучению и к видимому свету.

Соотношение А +21 mи2 = hv показывает, что при умень-

шении V, т. е. увеличении длины ВО.1НЫ падающего света,

тоте электроны не могут отделиться от металла, т. е. фото­

эффект не имеет места.

Таким образом, для каждого металла (уществует п р е­ Д е л ь н а я длина волны света, способного вызвать фото­

эффект. Если падающий свет имеет длину волны больше пре­ дельной, то фотоэффект не возникает, как бы ни был и нтен­ сивен свет. Поэтому, например, для наблюдения фотоэффекта на цинке необходимо было прибегать к ультрафиолетовому

излучению, ибо работа выхода для пинка довольно велика

(Azl1=6,8·10-~9 Дж). При работе с ДРУГИМII веществами

можно увеличить л, ибо работа выхода для них меньше; удобны щелочные металлы (натрий, калий, рубидий и осо­ бенно цезий: ACs =3·10- 19 Дж). Еще значительнее ПОJJижает-

*) Как уже упоминалось в § 65, в настоящее время удаетсн для полу­

чения фототока использовать до 15% энергии света. Цифра, приводимая

в тексте, относится к явлениям фотоэффекта, наблюдаемым при освеще­

нии м е т а л л о в,

429

ся работа выхода, если обработать поверхность этих метал­

лов, покрыв их соответствующей пленкой. Благодаря этому

удалось получить поверхности, чувствительные не только к

видимому, но даже к инфракрасному свету.

Фотоэлементы, удобные для практических применений,

изготовляют в виде эвакуированного стеклянного баллона, на внутренней поверхности которого нанесен слой чувстви­

тельного металла. Нередко в баллон вводят некоторое коли­

чество нейтрального газа (например, аргона), который не

портит поверхности металла, но может ионизоваться под

ударами летящих электронов и увеличивать за счет своих

ИQНОВ наблюдаемый ток (см. том II, § 93). Поверхность

чувствительного металла служит одним электродом фото­

элемента (катодом). Анодом является металлическое кольuо

о)

Рис. 332. Вакуумный фотоэлемент: а) схема включения: 1 - светочув­

ствительный слой (катод), 2 - анод в виде кольца; 6) схематическое изображение

или пластинка, впаянная в баллон. Приложив между элект­

родами достаточное напряжение, получаем готовый к дейст­

вию фотоэлемент (рис. 332).

Впоследствии удалось использовать фотоэффект, возни­

кающий между металлом и образованной на нем пленкой окисла. Между металлом и окислом образуется тонкий слой полупроводящего вещества, обладающего свойством пропу­

скать электроны, выделяющиеся из металла, и препятство­

В8ТЬ прохождению электронов противоположного направ­

ления. Объяснение действия этого так называемого запира­ ющего слоя довольно сложно (см. т. П, § 110). Практически

же применение указанных поверхностей позволяет создавать фотоэлементы, имеющие очень большие преимущества. ОНИ

чувствительнее элементов первого типа (использующих

фотоэффект со свободной поверхности металла), не нужда-

430

ются во вспомогательной батарее, им может быть придана весьма разнообразная и очень удобная форма (рис. 333).

Так как фототок пропорционален световому потоку, то фо­ тоэлементы широко используются для устройства фотомет­

ров разнообразного назначения. Один из такнх фотометров,

пылен тонкий (прозрачный) слой металла, к которому прижато метал­

метр), описан в § 78. Возможность регистрировать световые

сигналы при помощи электрических приборов позволяет

комбинировать фотоэлементы с реле (см. том II, § 180), бла­

годаря чему фотоэлементы могут выполнять а в т о :\1 а т и­ ч е с к и различные сложные операции. Построены много­

численные автоматы для счета, регистрации, пуска в ход

или прекращения тех или иных операций и т. д. Число разнообразных применений фотоэлементов крайне велико, и каждый новый день приносит нОВЫе устройства этого рода.

Во введении уже упоминалось, что новые фотоэлементы (с

использованием полупроводников - германия и особенно

кремния) способны превращать довольно значительную

световую энергию в электрическую и применяются для ис­

пользования солнечной энергии (солнечные батареи). Сол­

нечные батареи площадью в десятки квадратных метров обеспечивают электроснабжение искусственных спутников Земли.

§ 186. Фотолюминесценция. Правило Стокса. Некоторые

тела при освещении не только о т р а ж а ю т часть падаю­

щего на них света, но и начинают с в е т и т ь с я. Такое свечение, или люминесценция, отличается важной особен­ ностью: свет люминесценции имеет иной спектральный

состав, чем свет, вызвавший свечение.

431

Примером легко наблюдаемой люминесценции может

служить синевато-молочное свечение керосина, рассматри­

ваемого на дневном свету. Очень большое число растворов красок и других nеществ обнаруживают люминесценцию,

особенно под действием источников, испускающих ультра­ фиолетовый свет (например, электрической дуги или ртут­

ной лампы). Свечение такого рода называют фотолюминес­

ценцией *), желая подчеркнуть, что оно возникает под дей­

ствием света.

Изменение цвета свечения по сравнению с цветом воз­

буждающего света нередко заметно глазом. Еще лучше наблюдается указанная особенность, если сравнить с п е к т р света люминесценции со спектром возбуждающе­

го света. Все эти наблюдения показывают, что свет люмине­

сценции характеризуется б о JI Ь шей длиной BOJlHbl, че~1

возбуждающий свет.

1

'Рис. 334, Опыты по ф.~юоресценции: а) расположение приборов; б) схе­

Это правило, ГJlасящее, что свет люминесценции харак­

теризуется большей длиной волны, чем свет возбуждающий,

носит название правила Стокса в честь английского фи­ зика Георга Стокса (1819-1903).

*) Слово «фотолюминесценция» представляет собой довольно не­

удачное соединение греческого C,~OBa «фотос» - свет с латинским сло­

вом «люминесценция» - свечение,

432

Любой опыт по возбуждению фотолюминесценции может служить иллюстраuией этого правила. Пропустим, напри­

мер, свет от фонаря через фиолетовое стекло, задерживающее

практически все голубые и более длинные волны (рис. 334).

Если пучок тююго Ф И О Л е т о в о г о света направить на колбочку, в которой содержится раствор флюоресцеина, то

освещенная жидкость начинает ярко люминесцировать з е л е н о-ж е .1 т ы М светом.

Применяя источники света, излучение которых содержит значите,lьное КО,lичество коротких волн (ультрафиолетово­ го диапазона), можно обпаружr!Ть, что почти все тела обла­

дают способностью в большей rrли меньшей степени .1юминес­

цировать. Нередко удается значительно усилить люминес­

ценцию, сильно охладив тело, наПРИl\lер погрузив его в

жидкий воздух.

Обращает на себя внимание, что пекоторые тела сохра­ няют способность светиться некоторое время п о с л с того,

как освещение их п р е к р а т и л о с ь.

Такое nослесвеченuеможет иметь различную длительность. В некоторых объектах оно продолжается очень малое время

(десятитысячные доли секунды и менЬ/лс) и для наблюдения его требуются особые приспособления. В других оно тянется

мпого секунд и даже минут (часов), так что наблюдение

его не представляет никаких трудностей.

Принято называть свечение, прекращающееся юлесте с освещениС"л, флюоресценцией, а свечение, ю!еющее заIllет­

пую длительность, фосфоресценцией. Следует, однако, юлеть в виду, что между флюоресценцией и фосфоресценцией труд­

но провести резкую границу, так что деление это до извест­

ной степени у с л о в н о.

Явление длительной фосфоресцеlIЦИИ обнаруживают мно­

гие кристаллические порошки, специально приготовленные.

Ими пользуются для изготовлепия так пазываемых фосфо­

ресцирующих экранов. Лист картона, покрытый, например,

порошком сернистого цинка, представляет хороший фос­

форесцирующий экран, сохраняющий свое свечение две-три

минуты после освещения.

Такие экраны светятся и под действием рентгеновских

лучей. Следует отмстить, впрочем, что явление люминесцен­

ции под действием рентгеновских лучей более сложно, чCl\! под действием обычного света, ибо при ЭТО1\1 играют роль

быстрые электроны, вырываемые рентгеновскими лучами.

Очень важное применение нашли в последнее время фос­

4ЗЗ