Открытие фотоэффекта — важный шаг в развитии техники

Окончательно разобраться в том, что представляет собой свет, ученые смогли только тогда, когда обнаружили и исследовали явление фотоэффекта. Предвестником этого открытия стал французский физик Александр Эдмон Беккерель: еще в 1839 г. он нашел, что под действием лучей солнца определенные материалы вырабатывают электричество.

Через 34 года английский инженер-электрик Уиллоуби Смит увидел, что фотоны (частицы света) увеличивают способность селена проводить ток. А несколькими годами позже английский профессор Уильям Гриллс Адамс и его студент Ричард Эванс убедились в том, что на свету селен вырабатывает электричество. Эти наблюдения помогли американскому изобретателю Чарльзу Фриттсу в 1883 г. сконструировать первую солнечную батарею.

В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц экспериментировал с открытой колебательной системой, состоящей из зеркал, как вдруг его внимание привлекло интересное явление. Когда ультрафиолетовые лучи попадали на отрицательный электрод искрового разрядника, электропроводность которого напрямую зависит от ионизации находящегося внутри газа, — для электрического разряда требовалось меньшее напряжение между электродами, чем в предыдущих опытах, не предполагавших наличие света. Герц не смог объяснить увиденное, и его наблюдения продолжили немецкий ученый В. Гальвакс и русский физик А. Г. Столетов. Последний подключил к электросети конденсатор (прибор для накопления заряда), где в роли положительной обкладки выступала медная сетка, а отрицательной — цинковая пластина. Если световые лучи направлялись на пластину, по цепи начинал циркулировать ток. А если той же пластине передавали положительный заряд, ток сразу исчезал. Этот эксперимент показал, что свет выбивает отрицательный заряд из металла, исполняющего функцию катода, вследствие чего и возникает ток.

Читать:  Летающий зонтик

Заинтригованный, Столетов измерил заряд вылетающих частиц и понял, что это электроны. Сам процесс вырывания электронов светом из жидкостей и твердых предметов ученый назвал фотоэффектом, а выбитые частицы — фотоэлектронами. Позже он доказал, что фотоэффекту не требуется инерция: стоит лучу попасть на поверхность тела, как оттуда мигом вылетает электрон; главное условие — чтобы частота света была выше минимальной.

Такие наблюдения невозможно было объяснить законами электромагнитной волновой теории света, согласно которой электромагнитная волна вырывает электроны из металла, постепенно «раскачивая» их. Для этого требуется некоторое время, а если освещенность слабая, то электроны вылетают и того позже. К тому же энергия их движения должна определяться амплитудой электромагнитной волны, а следовательно, и напряженностью электрического поля внутри волны. Но процесс фотоэффекта демонстрировал абсолютно противоположное.

Ответ был найден в 1905 г. великим физиком А. Эйнштейном. До этого Эйнштейн в течение пяти лет изучал работы М. Планка, который предположил, будто в процессе видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучений атомы нагретого объекта выделяют энергию не сплошным потоком, а определенными дозами — квантами. Исследуя электромагнитное излучение, Эйнштейн, в свою очередь, сделал вывод, что электромагнитная волна тоже состоит из порций энергии — фотонов.

Читать:  «Какающий» робот

Таким образом, заключения Эйнштейна шли вразрез с законами классической волновой теории, где луч света считается непрерывной волной. Ученый заявил, что свет — это поток частиц-фотонов, скорость которых сравнима со скоростью света в вакууме. Если частота волны неизменна, то и энергия фотонов одинакова. Когда фотоны отдают свою энергию частицам некого вещества, свет поглощается — причем тоже порционно.

Чтобы рассчитать, с какой максимальной энергией может двигаться фотоэлектрон, Эйнштейн вывел уравнение фотоэффекта. Смысл его вот в чем: при столкновении с каким-либо телом фотон отдает свою энергию на то, чтобы превратить нейтральные атомы в электроны, а затем выбить ихнаружу. Оставшаяся энергия фотона трансформируется в кинетическую — то есть энергию движения электрона.

Это уравнение помогло обосновать все законы фотоэффекта. Предельная кинетическая энергия фотоэлектрона, а значит, и его наибольшая стартовая скорость определяются не интенсивностью света, а частотой волны и работой при переходе границы между веществом и окружающей средой. Чем длиннее волна, тем меньше частота — и тем слабее будет работа на выходе. Самым длинноволновым является излучение красного спектра, и «наиболее красный» свет не может произвести фотоэффекта. Но у каждого вещества красная граница (то есть допустимая минимальная частота волны) своя — она зависит от химического состава и характера поверхности тела. Разумеется, количество фотоэлектронов, которые вылетают из металла за единицу времени, пропорционально количеству фотонов, падающих на поверхность тела за то же время.

Читать:  Дизельное топливо из воды и углекислого газа

Открытие фотоэффекта стало очень важным шагом в развитии техники. Как уже упоминалось вначале, на его основе были созданы фотоэлементы, позволяющие преобразовывать солнечный свет в электричество. В середине ХХ в. американские инженеры Дэрил Чапин, Джеральд Пирсон и Калвин Саутер Фуллер принесли в исследовательский центр Bell Labs кремниевый фотоэлемент, каждая ячейка которого превращала энергию солнца в электричество с 4%-ным КПД. Четыре года спустя фотоэлектрические системы стали использоваться на спутниках, и это было большим прорывом в освоении космоса, где нет иных источников энергии. Кроме того, фотоэлементы позволяют воспроизводить звук, записанный на кинопленке, а в паре с реле — создавать «видящие» устройства, которые могут автоматически сортировать вещи, открывать-закрывать двери, включать и выключать освещение и пр. Сейчас солнечные батареи, состоящие из фотоэлементов, признаны самым экологичным, доступным и экономным способом энергообеспечения.

Оставить эмоцию
Нравится Тронуло Ха-Ха Ого Печаль Злюсь
Поддержите проект Мир Знаний, подпишитесь на наш канал в Яндекс Дзен

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о