Образование

История открытия фотоэффекта: уравнение Эйнштейна и опыты Столетова и Генри

Фотоэффект — это одно из удивительных физических явлений, временные масштабы развития представлений о котором охватывают около трех веков. В данной статье рассмотрим историю этого явления, а также приведем и опишем главное уравнение фотоэффекта.

Предпосылки открытия явления

Предпосылки открытия явления фотоэффекта зародились еще в далеком XVII веке, когда Исаак Ньютон выдвинул корпускулярную теорию света. Согласно ей, пучок света состоял из разноцветных маленьких частиц — корпускул. Эта теория просуществовала полтора столетия и с успехом объясняла явления отражения и преломления света.

Но вот наступила первая половина XIX века, и английский ученый Томас Юнг в своем эксперименте с щелью и монохроматическим пучком света показал, что рассматриваемый физический объект имеет волновую природу.

В 60-е годы XIX века Джеймс Максвелл на основании теоретических расчетов построил достаточно стройную теорию электромагнетизма, в которой он смог объединить все на тот момент известные явления магнитного и электрического характера. Максвелл предсказал существование электромагнитных волн, подтвердив тем самым опыты Юнга.

Немецкий физик Генрих Герц поставил эксперименты, в которых доказал существование предсказанных Максвеллом волн и попутно открыл явление фотоэффекта.

Опыты Генриха Герца

История открытия фотоэффекта: уравнение Эйнштейна и опыты Столетова и Генри - новости образования и науки на News4Smart.ru

Идея постановки опытов Герца родилась непосредственно из теории Максвелла, которая говорила, что переменное электрическое либо магнитное поле способно порождать электромагнитные волны. Последние же способны индуцировать переменный ток в любом проводнике, который их принимает.

В 1887 году Герц, используя катушку Румкорфа, зарядил две металлические сферы, вызвав искровой разряд между ними. Этот разряд создал волну, которая, порождая переменный ток в приемнике, привела к еще одному искровому разряду в маленьком воздушном зазоре. Этот разряд был настолько слабым, что Герц располагал приемник в темном помещении, чтобы увидеть искру. И вот тут ученый заметил одну странную вещь: искра в темном помещении была слабее, чем в светлом.

Опубликовав свою работу, Герц не смог объяснить отмеченные изменения интенсивности искры. Удовлетворительное объяснение было дано лишь в 1905 году Альбертом Эйнштейном. Но до того, как это произошло, в истории открытия фотоэффекта появилась еще одна весомая фигура.

Александр Столетов и его эксперименты

История открытия фотоэффекта: уравнение Эйнштейна и опыты Столетова и Генри - новости образования и науки на News4Smart.ru

А. Г. Столетов — выдающийся русский ученый второй половины XIX века, который внес серьезный вклад в развития представлений об электромагнетизме. Но больше всего известны опыты Столетова по изучению фотоэффекта.

Эти эксперименты он поставил в 1888 году. Заключались они в следующем: подключив воздушный конденсатор к слабому источнику питания, ученый направил свет от ртутной лампы на катод (цинковую пластину конденсатора), при этом он наблюдал появление электрического тока в цепи.

Эти опыты Столетову позволили сформулировать первый закон фотоэффекта: индуцированный в цепи ток прямо пропорционален интенсивности падающего света на катод. Русский ученый объяснил это явление вырыванием отрицательно заряженных частиц электромагнитной волной из материала катода. Заметим, что на момент постановки этих опытов электрон еще не был открыт.

История открытия фотоэффекта: уравнение Эйнштейна и опыты Столетова и Генри - новости образования и науки на News4Smart.ru

Альберт Эйнштейн и современная теория фотоэффекта

В 1905 году, используя результаты исследований различных ученых (Столетова, Томсона, Планка), Эйнштейн опубликовал статью «Об эвристической точке зрения, касающейся возникновения и преобразования света», в которой дал исчерпывающее объяснение рассмотренному явлению и привел уравнение фотоэффекта.

История открытия фотоэффекта: уравнение Эйнштейна и опыты Столетова и Генри - новости образования и науки на News4Smart.ru

Современные законы фотоэффекта формулируются следующим образом:

  1. Между интенсивностью света и индуцированным фототоком существует прямая пропорциональность (закон Столетова).
  2. Существует некоторая частота света, называемая пороговой, ниже которой рассматриваемое явление не наблюдается.
  3. Кинетическая энергия вырванного фотоном электрона прямо пропорциональна частоте фотона и не зависит от интенсивности света, падающего на катод.
  4. Этот эффект возникает мгновенно, как только свет падает на материал.

Теория фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна

Чтобы понять приведенные выше положения для фотоэффекта, следует рассмотреть, что происходит с электроном в атоме, когда его облучают светом. Главная заслуга Эйнштейна заключалась в том, что он смог догадаться, что с электроном взаимодействует не электромагнитная волна, а квант света определенной энергии — фотон. Фотон полностью поглощается электроном, передавая ему свою энергию. Далее судьба электрона может быть следующей:

  • Если переданной энергии от фотона недостаточно, чтобы вырваться из атома, то электрон сначала переходит в возбужденное состояние, а затем возвращается в основное состояние с излучением фотонов.
  • Если энергия фотона больше работы выхода электрона, тогда он вырывается из материала и переходит в свободное состояние.

Уравнение фотоэффекта имеет вид:

h×v = h×v0 + Ek.

Здесь v — частота фотона, v0 — красная граница фотоэффекта или пороговая частота, ниже которой явление не наблюдается, Ek — кинетическая энергия свободного электрона, h — постоянная Планка.

Уравнение фотоэффекта показывает, что энергия фотона (h×v) расходуется на вырывание электрона из материала (h×v0) и на сообщение ему некоторой скорости (Ek).

Фотоэффект и солнечные батареи

История открытия фотоэффекта: уравнение Эйнштейна и опыты Столетова и Генри - новости образования и науки на News4Smart.ru

Явление фотоэффекта широко используется для производства электрической энергии из солнечного света. Эта энергия расходуется как для удовлетворения бытовых нужд, так и для питания электроники на космических спутниках.

Основным материалом для солнечных батарей в настоящее время является кремний. Индуцированная ЭДС в батарее возникает, когда свет падает на область p-n перехода полупроводника.

История открытия фотоэффекта: уравнение Эйнштейна и опыты Столетова и Генри — все интересные факты и достижения науки и образования на News4Smart.ru

Поделитесь ссылкой и ваши друзья узнают, что вы знаете ответы на все вопросы. Спасибо ツ

Related Articles

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Close