§ 162. Фотоэлектрический эффект

Вырывание электронов под действием электромагнитных волн является одним из важнейших подтверждений неизбежности корпускулярных представлений. Мы рассмотрим здесь это явление именно с этой стороны и вернемся к нему еще раз в § 274 для обсуждения действия света на металлы и полупроводники.

Так как работа выхода электрона из металла (см. стр. 665) не меньше то фотоэлектрический эффект становится возможным при для частот порядка

Эйнштейн предложил рассматривать фотоэффект как явление соударения фотона с электроном. Фотон при этом отдает всю свою энергию и прекращает существование. Есйи А есть работа выхода электрона (т. е. работа преодоления сил связи электрона с веществом), то закон сохранения энергии будет иметь вид

где кинетическая энергия выбитого из вещества электрона (фотоэлектрона).

Первая проверка справедливости фотонной гипотезы заключается в проверке линейной зависимости кинетической энергии фотоэлектрона от частоты падающего излучения.

Энергия фотоэлектронов определяется методом задерживающего потенциала. Если поверхность вещества, из которого вырываются электроны, является обкладкой конденсатора, то через цепь, в которую включен этот конденсатор, пойдет ток. Его можно прекратить, если подать на конденсатор задерживающее напряжение. Ток прекратится, когда

Следует иметь в виду, что электроны имеют тем меньшую скорость, чем с большей глубины они вырваны.

Рис. 186.

Поэтому прекращение тока наступит тогда, когда будут задержаны электроны, наиболее близкие к поверхности. Определяя на опыте для разных частот электромагнитного излучения, можно построить кривые в функции Идеальные прямые, полученные в таких опытах, показаны на рис. 186. Тангенс угла наклона прямой

равный может быть вычислен из других данных, что дает еще одну независимую проверку теории.

Описанный опыт нельзя все же считать прямым доказательством фотонной гипотезы. Возможно возражение, состоящее в том, что фотоэлектрон постепенно накапливает энергию, передаваемую ему электромагнитной волной. Это возражение снимается классическим опытом А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравова. Еще ранее А. Ф. Иоффе прибегнул к исследованию фотоэффекта на пылинке, взвешенной между обкладками конденсатора. Из-за неизбежного трения о воздух пылинка несет заряд, и поэтому ее тяжесть может быть уравновешена электрическим полем. При равновесии где масса и заряд пылинки. При фотоэффекте пылинка теряет электрон и, следовательно, в зависимости от знака меняет свой заряд на или Пылинка выходит при этом из равновесия и начинает движение к одной из пластин конденсатора. Чтобы уравновесить пылинку, надо изменить поле. Условия равновесия будут

Этим способом Иоффе определял заряд электрона.

Возвращаемся к опыту Иоффе и Добронравова. Они также наблюдали за поведением пылинки, взвешенной между обкладками конденсатора, но цель была теперь другая. Одной из обкладок конденсатора служил анод рентгеновской трубки. На трубку накладывалось напряжение а рентгеновские лучи создавались исключительно слабым потоком электронов, составлявшим около 1000 электронов в секунду.

Как известно, рентгеновские лучи возникают при соударении электрона с анодом. Однако, что излучается анодом: непрерывное электромагнитное поле или 1000 фотонов в секунду? Это и должна показать пылинка, находящаяся между обкладками конденсатора. Рентгеновские лучи вырывают из пылинки электрон. Но как они это делают?

Опыт Иоффе и Добронравова показал, что вырывание электрона из пылинки происходит в среднем один раз в 30 минут. Если бы рентгеновские лучи распространялись в виде непрерывного поля, то в каждое мгновение пылинка получала бы совершенно мизерную энергию, недостаточную, разумеется, для отрыва электрона. Эта энергия распределялась бы поровну между всеми электронами пылинки. Наблюдение Иоффе и Добронравова потребовало бы от волнового представления совершенно невероятного вывода: раз в 30 минут все электроны передают энергию одному и он отрывается от пылинки.

В то же время фотонная гипотеза не только объясняет явление с качественной стороны, но приводит к опытной цифре. Пылинка в описываемом опыте представляла собой висмутовый шарик радиусом см. Она находилась на расстоянии 0,02 см от анода, от которого рентгеновские лучи шли во все стороны. Вероятность

попадания фотона в пылинку равна Так как в 1 с вылетает 1000 фотонов, то в среднем в пылинку будет попадать 1 фотон в 1800 с (30 минут), что и совпадает с опытом.