Source: http://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html
Мајкл Фаулер
Универзитетот во Вирџинија
Херц покажува бранови Максвел: и уште нешто
Најдраматичните предвидување на теорија Максвел на електромагнетизмот, објавена во 1865 година, е постоењето на електромагнетни бранови се движат со брзина на светлината, а заклучокот дека светлината сама по себе беше само како еден бран. Ова експерименталното соочат со предизвикот да се генерираат и откривање на електромагнетно зрачење користат некоја форма на електрични апарати. Првиот јасно успешен обид беше од страна на Хајнрих Херц во 1886 година Тој се користи за висок напон индуктор да предизвика празнење искра меѓу две парчиња од месинг, да го цитирам, “Замислете цилиндрични месинг тело, 3 см во дијаметар и 26 см, прекинат на половина пат по нејзината должина од јазот искра чии столбови на двете страни се формирани од сферата на радиус од 2 см.” Идејата беше еднаш една искра формираше спроведување на патот помеѓу две бакарни проводници, задолжен брзо ќе осцилираат и назад, која емитира електромагнетна радијација на бранова должина слична на големината на самите проводници.
За да докаже дека навистина е емитирана радијација, таа мораше да биде откриен. Херц користи парче бакарна жица 1 мм дебел свиткана во круг со дијаметар од 7,5 сантиметри, со мала сфера месинг на едниот крај, а на другиот крај на жицата беше посочено, со точка во близина на сфера. Тој додаде механизам завртка, така што на местото може да се пресели во непосредна близина на сферата на контролиран начин. Овој “примач” е дизајниран така што сегашната осцилирачки и назад во жица ќе има природен период во близина на онаа на “предавател” е опишано погоре. Присуството на осцилирачки задолжен во приемникот ќе се сигнализира со искра низ (мала) јазот помеѓу точка и сфера (обично, овој јаз е стотинка од милиметарот). (Тоа беше предложено да Херц дека овој јаз искра може да се замени како детектор на нога на соодветно подготвени жаба, но тоа очигледно не се работи).
Експериментот беше многу успешна – Херц беше во можност да детектира радијација и до педесет нозете подалеку, и во серија на генијален обидите да се утврди дека зрачењето се одрази и прекршена како што се очекуваше, и дека тоа е поларизиран. Главниот проблем – ограничувачки фактор во детекција – е да се биде во можност да ја видите малата искра во приемникот. Во обидот да се подобри видливоста на искра, тој дојде за нешто многу мистериозен. Да го цитирам од Херц повторно (тој го нарече предавател предизвика, приемникот Б): “Понекогаш затворени искра Б во темна случај, за полесно да се направи набљудувања, и со тоа што го гледав дека максималниот искра должина стана дефинитивно помали во случај отколку што беше порано. на отстранување по ред на различни делови на случајот, се покажа дека само дел од тоа што го применуваат ова штетен ефект беше она што беше прикажан искра Б од искра А. партиција на таа страна изложени овој ефект, не само кога тоа е во непосредна близина на искра Б, но, исто така, кога се испречи на поголеми растојанија од Б меѓу а и Б феномен толку извонредна повика поблиску истрага.”
Тогаш Херц оддаде на многу темелна истрага. Тој открил дека мала приемник искра беше повеќе енергична и ако тоа беше изложени на ултравиолетова светлина од искра на предавателот. Тоа траеше долго време да дознаам ова – за прв пат се провери за некој вид на електромагнетни ефект, но се најде на лист од стакло ефективно заштитени искра. Тој потоа се најде плоча на кварц не заштити искра, при што тој се користи кварц призмата да се пробие до светлината од голема искра во нејзините компоненти, и открив дека на бранова должина кој го направи малку искра помоќен беше надвор од видливото, во ултравиолетово.
Во 1887 година, Херц заклучи она што мора да се месеци на истражување: “…Јас се ограничи во моментов да се комуницира на добиените резултати, без да се обидувате секоја теорија почитување на начинот на кој набљудуваните феномени се донесе.”
Поедноставен пристап Галвакса
Следната година, 1888 година, друг германскиот физичар Вилхелм Галвакс, во Дрезден, напиша:
“Во неодамнешното објавување Херц ја опиша истражувања на зависноста на максималната должина на индукција искра на зрачење доби од него од друг индукција искра. Тој се покажа дека феноменот забележано е акција на ултравиолетова светлина. Нема повеќе светло врз природа на феноменот може да се добие, бидејќи на сложените услови на истражување во кое се појави. настојував да се добие поврзани феномени кои би се појавиле при поедноставни услови, со цел да се направи на објаснување на појавите полесно. успехот е добиена со испитување на акција на електрична енергија на наелектризирани тела.”
Тогаш тој го опишува многу едноставен експеримент: чиста кружни плоча на цинк беше монтиран на изолациски стојат и спроведен од страна на жица за да електроскоп златен лист, кој тогаш беше обвинет негативно. На електроскоп изгуби своето полнење со многу бавно. Меѓутоа, ако на цинк плоча се изложени на ултравиолетова светлина од светилка лак, или од горење магнезиум, задолжен протекоа далеку брзо. Ако плочата е позитивно наелектризирани, немало истекување брзо полнење. (Ние покажавме како предавање демо, со користење на УВ ламба како извор.)
Прашања за читателот: Може да биде дека на ултравиолетова светлина некако расипа изолациски својства на штандот на цинк плоча беше? Може да биде дека електрични или магнетни ефекти од големите струја во светло на лакот некако предизвика истекување на полнење?
Иако експеримент Галвакс сигурно разјасни ситуацијата, тој не понуди било теорија на она што се случува.
Џ.Џ. Томсон идентификува честички
Всушност, ситуацијата остана нејасно до 1899 година, кога Томсон утврди дека ултравиолетовата светлина предизвикани електрони ќе се емитуваат, исто честички се најде во катод зраци. Неговиот метод е да се приложи на метална површина да бидат изложени на радијација во вакуум цевки, со други зборови да го катод во катодната цевка се направи. Новата карактеристика е дека електроните требаше да биде исфрлен од катодата од радијација, а не од силна електричното поле се користи претходно.
Во тоа време, имаше веродостојно слика на она што се случува. Атоми во катодна содржани електрони, кои беа потресени и предизвика да вибрира со осцилирачки електрично поле на зрачење инцидентот. На крајот, некои од нив ќе се разнишаат лабава, и ќе биде исфрлен од катодата. Вредно е да се размислува внимателно како ќе се очекува бројот и брзината на електрони емитираат да варира во зависност од интензитетот и бојата на зрачење инцидентот. Зголемување на интензитетот на зрачење ќе се тресат од електрони повеќе насилно, па може да се очекува повеќе да излегува, и тие ќе се пука на поголема брзина, во просек. Зголемување на фреквенцијата на зрачењето ќе се тресат електроните побрзо, па може да предизвика електроните да излезе побрзо. За многу слабо светло, тоа ќе потрае некое време за еден електрон да работат до доволно количество на вибрации за да ги размрда цврст.
Ленард наоѓа некои изненадувања
Во 1902 година, Ленард изучува како енергијата на емитираат фотоелектрони варира со интензитетот на светлината. Тој се користи лак светлина јаглерод, и може да се зголеми интензитетот илјада пати. Исфрлениот електрони погоди уште метална плоча, колектор, кој е поврзан со катодна со жица со чувствителни амперметар, за мерење на струја произведена од страна на осветлување. За мерење на енергија на електроните исфрлена, Ленард обвинет колектор плоча негативно, за да се одвратат од електроните кои доаѓаат кон него. Така, само електроните исфрлен со доволно кинетичка енергија да се нагоре овој потенцијал ридот ќе придонесе за струја. Ленард откри дека има добро дефиниран минимален напон кој престана било електрони преку добивање, ние ќе го наречеме Vstop. На негово изненадување, тој открил дека Vstop не зависи воопшто од интензитетот на светлината! Удвојување интензитетот на светлината двојно се зголеми бројот на електрони емитираат, но не влијае на енергија на емитираат електрони. Посилните осцилирачки поле исфрлена повеќе електрони, но најмногу индивидуални енергијата на електроните исфрлена беше иста како и за послабите област.
Но, Ленард направи нешто друго. Со многу моќен својот лак светилка, имаше доволен интензитет да се издвојат на бои и да се провери на фотоелектричниот ефект користење на светлината на различни бои. Тој открил дека максималната енергија на електроните исфрлена се зависи од бојата – на пократка бранова должина, повисока фреквенција светлина предизвикани електроните да се извади со повеќе енергија. Ова беше, сепак, прилично квалитативни заклучок – мерења на енергија не беа многу да се репродуцира, бидејќи тие се многу чувствителни на состојбата на површината, а особено неговата состојба на делумна оксидација. Во најдобар vacua располагање во тоа време, значајни оксидација на свежо површината се одржа во десетици минути. (Детали на површината се од суштинско значење, бидејќи најбрзо електрони емитираат се оние од десно на површина, и се обврзале на солидна зависно од природата на површина – тоа е чист метал или мешавина на метал и кислородни атоми?)
Прашање: на горната слика, батеријата претставува потенцијал Ленард користи за полнење на колектор плоча негативно, што, всушност, ќе биде извор на променлив напон. Од електрони исфрлена од сината светлина се добива на плоча колектор, очигледно потенцијал обезбедени од страна на батеријата е помалку од Vstop за сина светлина. Прикажи со стрелка на жица насока на електрична струја во жица.
Ајнштајн сугерира објаснување
Во 1905 година Ајнштајн даде многу едноставна интерпретација на резултатите Ленард е. Тој само се претпоставува дека на дојдовен зрачење треба да се смета како кванти на фреквенцијата hf, со f фреквенцијата. Во фотоемисија, еден таков квантната се апсорбира од страна на еден електрон. Ако електронот е некои од далечина во материјалот на катодата, некои енергија ќе се изгуби како што се движи кон површината. Секогаш ќе има некои електростатско трошоците, како електрони напушта површината, ова обично се нарекува работа функција, W. Најенергичните електрони емитираат ќе бидат оние кои се многу блиску до површината, и тие ќе заминат на електролитна со кинетичка енергија
E = hf – W.
На рачката до негативен напон на натписната колектор до сегашниот само ќе престане, тоа е, да Vstop, што е највисока кинетичка енергија електрони мора да имаат енергија eVstop за напуштање на катодата. на тој начин,
eVstop = hf – W
Така теоријата на Ајнштајн го прави многу дефинитивен квантитативно предвидување: ако фреквенцијата на инцидентот светлина е разновидна, и Vstop црта како функција на фреквенција, на падините на линија треба да биде h/e.
Исто така е јасно дека постои минимум светлина фреквенција за даден метал, она за кое квантум на енергија е еднаква на функцијата работа. Светлина под таа фреквенција, без разлика колку е светла, нема да предизвика фотоемисија.
Обидите Милликана е да ги побие теоријата на Ајнштајн
Ако ја прифатиме теоријата на Ајнштајн, тогаш, ова е сосема поинаков начин за мерење на постојана Планк. Американската експериментален физичар Роберт Милликан, кои не го прифаќаат теоријата на Ајнштајн, која тој го виде како напад врз теоријата на бранот на светлина, работел за период од десет години, до 1916 година, на фотоелектричниот ефект. Тој дури и измислени техники за стружење чистење на металните површини во вакуум цевки. За сите негови напори тој се најде разочарувачки резултати: тој потврди теоријата на Ајнштајн, мерење на Планковата константа во рамките 0,5% со овој метод. Една утеха е тоа што тој ја доби Нобеловата награда за оваа серија на експерименти.