Source: http://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html
Мицхаел Фаулер (Michael Fowler)
Университи оф Виргиниа
Херц проналази Маквелл таласа: и још нешто
Најдраматичнији предвиђање Маквелл теорије електромагнетизма, објављен 1865. године, био је постојање електромагнетних таласа који се крећу брзином светлости, а закључак да запали и сама била само такав талас. Ово изазвао експерименталиста за генерисање и откривање електромагнетно зрачење користећи неки облик електричних апарата. Први је јасно успешан покушај био је Хеинрицх Хертз у 1886. Он је користио високог напона индукционог калема да изазове пражњење варница између два комада бронзе, да га цитирам, “Имагине цилиндричне месинга тело, 3 цм у пречнику и 26 цм дужине, прекинут на пола по дужини од одводнику чији су полови на обе стране су формиране од стране сферама 2 цм радијуса. “ Идеја је била да једном варница формирала који води пут између два месингана проводника, пуњење ће брзо осцилује напред и назад, емитује електромагнетно зрачење таласне дужине сличан величини самих проводника.
Тамо докаже стварно је зрачење које се емитује, морала је да се детектује. Хертз користили парче бакарне жице 1 мм дебљине савијених у круг пречника 7,5 цмс, са малим месинга сфере на једном крају, а други крај жице је указао, са тачком поред сфере. Он је додао механизам завртањ тако да је тачка могла бити премештена у непосредној близини сфери на контролисан начин. Ова “пријемник” је дизајниран тако да садашњи осцилира и назад у жице имају природну период блиску оној у “предајника” горе описан. Присуство осциловања накнаде у пријемнику би сигнализира искра преко (Тини) јаза између тачке и сфери (типично, овај јаз је стотинке милиметра). (Предложено је да Херц да би ова искра јаз бити замењен као детектор за ноге погодно припремљеним жабе, али то очигледно није успело.)
Експеримент је била веома успешна – Херц је у стању да детектује зрачења до педесет метара далеко, а у низу генијалних експеримената утврдио да је радијација се огледа и прелама као што је очекивано, а да је поларизована. Главни проблем – ограничавајући фактор у откривању – Била сам у стању да види малу искру у пријемнику. У покушају да се побољша видљивост варница, он је дошао на нешто веома мистериозног. Да поново цитирам из Хертз (назвао трансмитера изазове, пријемник Б): “Ја повремено прилогу варницу Б у мрачној случају како би лакше направити запажања и на тај начин сам приметио да је максимална искра-дужина постао у случају изразито мањи него пре. na уклањања узастопно различите делове случају је видети да је једини део ње којих вршио овај штетан ефекат је то што сцреенед варницу Б из искре А. партиције на тој страни изложени овај ефекат, не само када је у непосредном суседству искре Б, али и када је уметнут у већим растојањима од Б између a и Б. fenomen тако изванредан назива за ближу истрагу. “
Херц затим кренула на веома детаљној истрази. Открио је да је мали пријемник искра је енергичније ако је изложен ултраљубичастом светлошћу од искре предајника. Требало је дуго времена да то схватим – да прво проверава неке врсте електромагнетног ефекта, али пронашао комад стакла ефикасно заштићени искру. Он је затим пронашао плочу кварц не штите искру, након чега је он користио кварцни призму да разбијемо светло од велике варнице у својим компонентама, и открио да је таласна дужина која је мала искра моћнија је изван видљиве, у ултраљубичаста.
У 1887, Херц закључио је оно што мора да буде месеца истраге: “… Ја ограничити се у овом тренутку да комуницира резултати добијени, без било каквог покушаја теорију поштујући начин на који су посматране појаве су довеле.”
Халлвацхс ‘Једноставније приступ
Следеће године, 1888, још један немачки физичар Вилхелм Халлвацхс, у Дрездену, је написао:
“У недавној публикацији Хертз описује истраге о зависности максималне дужине индукционог искре на зрачења које то из другог индукционог искре. Доказао је да је феномен приметио је деловање светлости ултраљубичастог Но додатно светло на. могу се добити природа феномена, због компликованих услова истраживања у којима се појавио. ja сам настојао да добију релевантне феномене који ће доћи до под једноставнијим условима, како би се објашњење феномена лакше. Успех је добијен истражује деловање електричног светла на наелектрисаних тела. “
Он је тада описује своју врло једноставан експеримент: чист кружна плоча од цинка је постављен на један изолациони штанду и везан жицом до злата листа електроскоп, који је тада оптужен негативно. Електроскоп је изгубио свој набој веома споро. Међутим, уколико је цинк плоча је изложен ултраљубичастом светлошћу из лучне лампе, или сагоревањем магнезијума, пуњење процурила далеко брзо. Ако је плоча је позитивно наелектрисана, није било цурења нема брзог пуњења. (Ми смо то показали као предавања демо, користећи УВ лампу као извор.)
Питања за читаоца: Да ли је могуће да је ултраљубичасто светло некако покварио изолационих штанда цинк плоча је био на? Да ли је могуће да електрични или магнетни ефекти од великог струје у лучне лампе некако изазвала цурење пуњења?
Иако Халлвацх експеримент свакако је појаснио ситуацију, он није понудио никакву теорију о томе шта се дешава.
Ј.Ј. Томсон Идентификује се честице
У ствари, ситуација је остала нејасна све до 1899, када Томсон утврђено да ултраљубичасто светло изазвао електрони да се емитују, исте честице налазе у катодним зрацима. Његов метод је био да приложе металну површину да буду изложени зрачењу у вакуумској цеви, другим речима да је катода у катодних цеви направити. Нова функција је да електрони треба да буду избачени из катоде од зрачења, а не на јаком електричном пољу претходно користили.
До тог времена, било је прихватљиво слика шта се дешава. Атома у катоде садржи електроне, који су потресен и настале да вибрира од осциловања електричног поља на зрачења. На крају су неки од њих ће бити уздрмана слободно, и да ће бити избачен из катоде. То је корисно с обзиром пажљиво како би се очекивало број и брзина електрона које одају да варира у зависности од интензитета и боје зрачења. Повећање интензитета зрачења би потресла електроне више насилно, па могло би се очекивати више да се емитују, а да ће пуцати на већој брзини, у просеку. Повећање учесталости зрачења би потресла електрони брже, тако да може да доведе електрони да се брже. За веома слабом светлу, било би потребно мало времена за електрон да раде до довољне амплитуде вибрација да се тресе лабав.
Ленарт Финдс нека изненађења
Године 1902 Ленард проучавао како енергија емитованих фотоелектрона варирао са интензитетом светлости. Користио је лука светлост угљеника и може повећати интензитет хиљаду пута. Избачене Електрони ударио другог металну плочу, колектор, који је повезан са катоде жицом са осетљивим амперметар за мерење струја производи осветљења. Да се измери енергију избачени електрона, Ленарт је оптужио Цоллецтор Плате негативно, да одбију електроне који долазе према њему. Тако, само електрони избачен са довољно кинетичке енергије да ову потенцијалну брдо би допринети струје. Ленарт открио да је добро дефинисана минимална напон који зауставио све електроне допре, ми ћемо га звати встоп. На његово изненађење, он је утврдио да встоп не зависи уопште од интензитета светлости! Дуплирајући интензитета светлости удвостручио број електрона које одају, али није утицало енергију емитованих електрона. Снажнији осцилира поље избачен више електрона, али максимална индивидуална енергија катапултирао електрона био је исти као и за слабије терену.
Али Ленарт урадио нешто друго. Са својим веома снажним лучне лампе, било је довољно интензитет да се одвоје од боје и проверите фотоелектрични ефекат користећи светлост различитих боја. Открио је да је максимална енергија избацују електрони нису зависи од боје — краћем таласној дужини, веће светло фреквенција изазване електрони се избацују са више енергије. Ово је, међутим, прилично квалитативна закључак — енергетска мерења нису били врло репродуктивни јер су екстремно осетљиви на стање површине, посебно њено стање делимичне оксидације. У најбољим доступним вацуо у то време, значајно оксидација свежих површине одржан је у неколико десетина минута. (Детаљи површини су од кључне важности јер најбрже електрони емитују су они са десна на површини и њихова везивање за чврсти остатак веома зависи од природе површине — је чист метал или смеша метала и атома кисеоника ?)
Питање: У горњој слици, батерија представља потенцијал Ленарт користи за пуњење Цоллецтор Плате негативно, што би заправо бити променљиви извор напона. Будући да су електрони избацују плавом светлошћу су све до колектора плочу, очигледно потенцијал снабдева батерије је мање од встоп за плавим светлом. Схов са стрелицом на жици правцу струје у жице.
Ајнштајн предлаже Објашњење
Године 1905. Ајнштајн је врло једноставан интерпретацију Ленард резултатима. Само је претпоставио да је долазни зрачења треба посматрати као кванта фреквенцијског хф, са м фреквенције. У пхотоемиссион, један такав квантна апсорбује једног електрона. Ако је електрон нека дистанца у материјалу катоде, неки енергија ће бити изгубљен док се креће ка површини. Увек ће бити неки електростатички трошак као електрон оставља површину, ово се обично назива рад функција, В. најенергичнију електрони емитују ће бити оних који су веома близу површине, и они ће напустити катоду са кинетичке енергије
E = hf – W.
На цранкинг се негативни напон на колектор плочу до струја само заустави, то јест, да встоп, највише кинетичке енергије електрона мора да има енергетску еВстоп напуштања катоду. Тако,
eVstop = hf – W
Тако Ајнштајнова теорија чини веома одређен квантитативни предвиђање: ако је фреквенција светлости инцидента је разноврстан, а встоп приказује као функција фреквенције, нагиб линије треба да буде Х / Е.
Такође је јасно да постоји минимум светло фреквенција за дату метал, за коју квантна енергије је једнака функцији рада. Светло испод тој фреквенцији, без обзира на то колико светла, неће изазвати пхотоемиссион.
Милликан је Покушаји да оповргне теорију Ајнштајна
Ако прихватимо Ајнштајнове теорије, онда, ово је потпуно другачији начин да се измери Планкова константа. Амерички експериментални физичар Роберт Миликен, који нису прихватили Ајнштајнове теорије, коју је видео као напад на теорији таласа светлости, радио десет година, све до 1916. године, на фотоелектричног ефекта. Он је чак смислио технике за стругање чишћење металних површина унутар вакуум цеви. За све своје напоре нашао разочаравајуће резултате: он је потврдио Ајнштајнове теорије, мерење Планкова константа да у року од 0,5% овом методом. Једина утеха је да је урадио добили Нобелову награду за ову серију експеримената.
Референце
‘Subtle is the Lord…’ The Science and Life of Albert Einstein, Abraham Pais, Oxford 1982.
Inward Bound, Abraham Pais, Oxford, 1986
The Project Physics Course, Text, Holt, Rinehart, Winston, 1970