Реферат: Работа Эйнштейна над внешним фотоэффектом
Внешний фотоэффект.
В недалеком прошлом русский физик Столетов АлександрГригорьевич столкнулся с загадочным явлением – внешним фотоэффектом. Проводямногократные эксперименты, он установил, что металлическая пластинка, а точнееее поверхность испускает электроны под действием электромагнитногоультрафиолетового излучения или излучения какого-либо другого диапазона. Объяснить этого Александр Григорьевич не смог, но все же, эта работа принеслаему мировую известность.
Эксперимент был проведен в1888 г. Затем фундаментальные исследования были сделаны многими учеными,такими как Планк, Эйнштейн и др.
Схема эксперимента былатакова: электрометр, с присоединенной к нему цинковой пластинкой, заряженнойположительно, при освещении пластины, например электрической дугой, не влияетна быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, тосветовой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро.
Объяснить это можноединственным образом. Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если оназаряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометрразряжается. При положительном заряде пластины вырванные светом электроныпритягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра неизменяется. Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло,отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни былоинтенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощаетультрафиолетовые лучи, то из этого можно заключить, что именно ультрафиолетовыйучасток спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себе не сложный факт нельзяобъяснить на основе классической электромагнитной теории света. Согласно этойтеории вырывание электронов является результатом «раскачивание» их вэлектромагнитном поле световой волны, которое должно усиливаться при увеличенииинтенсивности света и пропорциональной ей энергетической освещенностифотокатода.
Планк, рассматривая излученияабсолютно черного тела, пришел к выводу, что излучение формулу, сопоставивсвои работы с формулой Вина. Кстати, Планк получил нобелевскую
премию за эту формулу.Развивая идеи Планка, Эйнштейн ввел гипотезу световых квантов, согласно которойэлектромагнитное излучение само состоит из таких квантов, и на ее основеобъяснил, и сформулировал ряд закономерностей фотоэффекта, люминисценсии ифотохимических реакций. За проделанную по настоящему гениальную работу,Эйнштейн в 1921 году был удостоен нобелевской премии. Работы его былиудостоены и многих других почетных наград.
Первый закон гласит, чтоколичество электронов, вырываемых с поверхности металла за одну секунду, прямопропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. В этомничего неожиданного нет: чем больше энергия светового пучка, тем эффективнееего действие.
Теперь рассмотрим кинетическуюэнергию световой волны или скорость электронов. (схема на прозрачке). Из опытавидно, что при отсутствии напряжения фотоэлектроны достигают правого электрода.Если изменить полярность батарейки, то образуется некоторое поле, которое будеттормозить электроны и возвращать их на место, то есть при определенномзадерживающим напряжением фототок равен нулю. Дальнейшие эксперименты доказали,что при изменении интенсивности света, задерживающее напряжение не меняется. Изэтого можно найти значение кинетической энергии электронов.
Второй закон – максимальнаякинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и независит от его интенсивности.Если частота света меньше определенной дляданного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не происходит. Этаминимальная частота названа красной границей. Почему именно красная, а незеленая? Дело в том, что если рассматривать спектр видимых электромагнитныхизлучений, то красный свет имеет самую низкую частоту. По формуле hv, он обладает самой малой энергией, то есть самая маленькаяэнергия, которая необходима для преодоления сил удерживающих междоузельныйэлектрон на поверхности, названа красной.
Именно Эйнштейн высказалсмелую гипотезу о том, что свет имеет двойственную структуру, он ведет себя какпоток частиц и как волна одновременно. Также он высказал гипотезу о том, чтосвет не только излучается в виде отдельных дискретных квантов, но ираспространяется в пространстве и поглощается веществом. В данном случае,междоузельный электрон получает энергию фотона.
При очень большихинтенсивностях света, достижимых с помощью лазеров, наблюдается многофотонныйилинелинейный, фотоэффект.При многофотонном фотоэффектеэлектрон может одновременно получать энергию не одного, а N фотонов.
Все результаты работы внесли идаже открыли новую дверь в физику, а точнее квантовую физику. И в большей мерезаслуга за этим лежит на Эйнштейне.
Макс Борн сказал: «идеиЭйнштейна дали физической науке импульс, который освободил ее от устаревшихфилософских доктрин, и превратил в одну из решающих сил современного миралюдей»
Открытие фотоэффекта имелоочень большое значение для более глубокого понимания природы света. Но ценностьнауки состоит не только в том, что она дает нам в руки средства, используякоторые можно совершенствовать производство, улучшать условия материальной икультурной жизни общества.
С помощью фотоэффекта«заговорило» кино и стало возможной передача движущихся изображений(телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки,которые без всякого участия человека изготавливают детали по заданным чертежам.Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше любогочеловека, вовремя включают маяки и уличное освещение. Все это оказалось возможнымблагодаря изобретению особых устройств – фотоэлементов.
Современный вакуумныйфотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхностикоторой покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода ( краснойграницей). Это катод на который через прозрачное окошко падает свет. В центрерасположен анод, который служит для улавливания фотоэлектронов. Анодприсоединяют к положительному полюсу батареи. Фотоэлементы реагируют на видимыеизлучения и даже не инфракрасные лучи. На их основе сделаны автоматы, которыемогут предотвращать аварии. На заводе фотоэлементы почти мгновенноостанавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне.
Что касается фотохимическихреакций, то на этой основе сделана фотография.
Объяснение фотоэффекта не единственная заслуга Эйнштейна.Еще он знаменит своей теорией относительности. Специальная теорияотносительности (частная теория относительности) представляет собой современнуюфизическую теорию пространства и времени. Специальная теория относительности иквантовая механика служит теоретической базой современной физики и техники(например: ядерной физики, техники). Специальную теорию относительности частоназывают релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этойтеорией, — релятивистскими эффектами. Как правило, релятивистские эффектыпроявляются при скоростях движения
8
тел близкой к величинескорости света в вакууме с=10м/с и называемых релятивистскимискоростями. Релятивистской механикой называется механика движений срелятивистскими скоростями, основанная на специальной теории относительности.
В специальной теорииотносительности, так же как и в классической ньютоновской механике,предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно.
Первый постулат являетсяобобщением механического принципа относительности Галилея на любые физическиепроцессы. Этот постулат – релятивистский принцип относительности Эйнштейна,гласит: в любых инерциальных системах отсчета все физические явления при однихи тех же условиях протекают одинаково. Иначе говоря, физические законы независимы по отношению к выбору инерциальной системы отсчета. Второй постулат выражаетпринцип инвариантности скорости света. Она одинакова во всех направлениях и вовсех инерциальных системах отсчета, являясь одной из важнейших физическихпостоянных. Опыты показывают, что скорость света в вакууме — предельнаяскорость в природе.
Альберт Эйнштейн был в жизниочень разносторонним человеком (как и все гениальные люди).
Его предки – евреи эмигранты, переселились в Вьюртенбергв XVI веке.
Отец физика, Герман Эйнштейн, выделялся своимиматематическими способностями, но его родители не обладали средствами, чтобыдать ему высшее образование. Мать, Паулина Эйнштейн – Кох, была музыкальноодаренной женщиной, дочерью богатого торговца зерном, музыкальность матери иматематические отца не только передались сыну, но и проявились у него гораздо болееярко.
С детских лет у мальчика развивалась глубокая любовь кприроде, Алберт Эйнштейн в последствие всегда любил жить в сельской местностиили в провинциальных городках.
Еще будучи школьником, в Мюнихе, Эйнштейн занималсямузыкой. С шестилетнего возраста его начали учить игре на скрипке. В началемальчик воспринимал эти уроки как скучную обязанность, но вскоре музыка увлеклаего, а с течением времени она стала его вторым призванием. Отправляясь в любыепоездки, Эйнштейн брал с собой скрипку, даже в первое время появлялся назаседании Берлинской академии наук со скрипичным футляром.
«Альбертель», так его называли родители, держался обычно встороне от своих школьных сверстников. Больше всего он любил заниматься водиночестве своими кубиками или выпиливать лобзиком. Иногда он писал стихи, вкоторых он с насмешкой отзывался о несмелых, робких людях ( сам он к таким неотносился). Еще до того как Эйнштейн поступил в школу, отец однажды подарил емукомпас. Этот простой предмет с неожиданной силой возбудил любознательностьмальчика, внешность вещей таил в себе что-то глубоко скрытое в пространстве,которое обычно считается пустым. Хотя знакомство с компасом относилось к томупериоду жизни великого исследователя, когда он был еще далек от занятий наукой,оно оказало сильное влияние на последующую деятельность. Альберт Эйнштейн былчеловеком прагматичным и даже жадным. Об этом свидетельствует и тот факт, чтолюди приходившие в гости, открывая калитку, приводили в действие определенныймеханизм, который поливал огород изобретателя.
Научное творчество Альберта Эйнштейна поразительнымобразом сочеталось с активной деятельностью во имя гуманизма и защиты мира.Эйнштейн был буквально основателем государства Израиля, его даже приглашалистать правителем этого государства, но он отказался.
Макс Борн сказал: «идеиэйнштейна дали физической науке импульс, который освободил ее от устаревшихфилософских доктрин и превратил в одну из решающих сил современного миралюдей.»
.