Затруднения волновой теории в объяснении фотоэффекта.

Произведем Оценку длительности интервала времени, за который электрон в твердом теле может приобрести энергию

вынужденных колебаний, достаточную для того, чтобы он вылетел с поверхности тела.

Количество энергии Е, получаемое от светового потока одним электроном в единицу времени, определяется выражением:

где Ф — световой поток, падающий на участок поверхности площадью — число электронов в единице объема твердого тела; — толщина слоя вещества, в котором отдают свою энергию падающие световые волны.

Для освобождения с поверхности твердого тела электрон должен обладать кинетической энергией, превышающей работу выхода для данного вещества А, т. е. работу, которую необходимо совершить для разрыва связей электрона с его собственным атомом и всей совокупностью остальных атомов твердого тела. Работа выхода электронов с поверхности твердого тела может быть определена, например, в экспериментах по изучению явления термоэлектронной эмиссии. Для металлов значения работы выхода лежат в пределах от 1,8 эВ (для цезия) до 5,3 эВ (для платины).

Интервал времени в течение которого электрон может накопить энергию, необходимую для своего освобождения, можно определить, разделив работу выхода А на энергию Е, приобретаемую электроном в единицу времени от электромагнитного поля световой волны:

Таким образом, согласно волновой электромагнитной теории света, фотоэлектрический эффект может наблюдаться, но вылет электронов с освещенной поверхности должен происходить не в момент попадания света на поверхность твердого тела, а лишь некоторое время спустя после начала действия света.

Пусть световой поток (что примерно в раз превосходит значение минимального светового потока, регистрируемого современными фотоэлементами), а работа выхода Дж. Число электронов в веществе объемом примем равным числу атомов в этом объеме: Толщину слоя вещества, в котором свет отдает свою энергию электронам, будем считать соизмеримой с длиной волны видимого света: Тогда получим:

Даже если принять, что электромагнитная световая волна полностью отдает свою энергию на возбуждение вынужденных колебаний электронов, расположенных лишь непосредственно на

поверхности твердого тела, т. е. принять толщину слоя равной поперечнику атома то в этом случае

В действительности же запаздывания возникновения фотоэлектрического тока хотя бы на миллионные доли секунды после момента начала освещения в экспериментах не наблюдается. Уже из этого несоответствия можно прийти к выводу, что электромагнитная теория света не способна объяснить явление фотоэффекта. Следовательно, представления о свете как непрерывном электромагнитном волновом процессе нельзя считать полностью соответствующими действительной природе света.

Открытие основных законов фотоэффекта подтвердило справедливость такого вывода. Согласно волновой теории, кинетическая энергия вырываемых из фотокатода электронов должна возрастать с увеличением амплитуды вынуждающих электромагнитных колебаний, т. е. с увеличением интенсивности света. Но экспериментами было установлено, что начальная скорость фотоэлектронов совершенно не зависит от интенсивности света.

Сила фототока в цепи при прочих постоянных условиях пропорциональна потоку световой энергии, падающему на фотокатод. Фотоэффект наблюдается лишь при условии, что длина волны света меньше некоторого предельного значения характерного для данного типа катода («красная граница фотоэффекта»).

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света, вызывающего фотоэффект: