Загрузка...
Учебная работа. Реферат: Интерпретация фотоэффекта
Более применимая интерпретация экспериментальных зависимостей фотоэффекта была предложена А. Эйнштейном в 1905 году, за что он получил Нобелевскую премию [1], [2], [3]. Он сделал это в отсутствии закона формирования спектров атомов и ионов. сейчас этот законоткрыт, и мы можем проверить корректность его интерпретации и возможность наиболее глубочайшего осознания фотоэффекта [4], [5], [6], [7].
Математическая модель, предложенная А. Эйнштейном для интерпретации экспериментальных зависимостей фотоэффекта, имеет вид [3]:
Ek
= hν – W,
(1)
где Ek
– кинетическая энергия фотоэлектрона, испускаемого фотокатодом; hν – энергия фотона, но какого конкретно, в работах [1], [2], [3] не поясняется; W – работа выхода фотоэлектрона представляет собой константу, не зависящую от частоты [1], [2], [3].
Экспериментальные зависимости фотоэффекта представлены на рис. 1 [2].
Рис. 1. Зависимость фототока от интенсивности света: а) при неизменной его частоте; б) при разной частоте
Фототок возникает в цепи: фотокатод – коллектор. Если фотокатод облучать монохроматическим светом (рис. 1а), то величина потенциала –V, задерживающего фотоэлектроны, выходящие из фотокатода, не зависит от интенсивности света. При всем этом повышение интенсивности света наращивает фототок и не изменяет величину задерживающего потенциала, а означает и кинетическую энергию фотоэлектронов. При увеличении частоты света, падающего на фотокатод, величина отрицательного потенциала V, задерживающего фотоэлектроны, возрастает (рис. 1б).
Так как величина задерживающего отрицательного потенциала V определяется кинетической энергией Ek
электронов, излучаемых фотокатодом под действием светового облучения, то из зависимости, показанной на рис. 1б, следует, что при увеличении частоты фотонов, облучающих фотокатод, кинетическая энергия Ek
испускаемых им фотоэлектронов возрастает.
Попытаемся отыскать связь уравнения (1) А. Эйнштейна с математической моделью закона формирования спектров атомов и ионов (2). Нами уже показано, что математическая модель, описывающая диапазоны многоэлектронных атомов и ионов, имеет вид [4], [10], [12]:
Eph
= Ei
– E1
/n2
,
(2)
где Eph
– энергия фотона, поглощаемого либо излучаемого электроном; Ei
– энергия ионизации электрона; E1
– энергия связи электрона с ядром атома, соответственная его первому энергетическому уровню; n = 2, 3, 4 – основное квантовое число.
Соотношение (2) следует из экспериментальной спектроскопии, потому оно является математической моделью закона формирования спектров атомов и ионов. Эйнштейновское уравнение (1) также обрисовывает аналогичный процесс поглощения фотонов электронами. Это дает нам основание представить идентичность уравнений (1) и (2) и однозначность их интерпретации. Вправду, из приведенных уравнений следует
Ek
= Eph
.
(3)
Это означает, что если электрон теряет связь с ядром атома, то его кинетическая энергия Ek
оказывается равной энергии Eph
поглощенного фотона. Дальше
hν = Ei
.
(4)
Из этого очевидно следует, что величина энергии hν в уравнении (1) является энергией ионизации Ei
электрона, излучаемого материалом фотокатода. Из уравнений (1) и (2) также следует
W = E1
/n2
= Eb
.
(5)
Новое прояснение: работа выхода фотоэлектрона W равна энергии связи электрона E1
/n2
в момент пребывания его на определенном энергетическом уровне в атоме либо молекуле.
Экспериментальные исследования фотоэффекта обычно проводят с фотокатодами из щелочных металлов [1]. к примеру, понятно что, работа выхода фотоэлектрона с литиевого фотокатода равна W = 2,4 эВ [1]. Энергия ионизации этого электрона равна Ei
= 5,392 эВ, а энергия связи его с ядром, соответственная первому энергетическому уровню, – E1
= 14,05 эВ [4]. Беря во внимание это, и используя математическую модель закона формирования спектров атомов и ионов (2), получим теоретический диапазон этого электрона Eph
(теор.), который на сто процентов совпадает с экспериментальным Eph
(эксп.) диапазоном (табл. 1). При всем этом формула (5) дозволяет высчитать энергии Eb
связи этого электрона с ядром атома (по Эйнштейну работу выхода), надлежащие всем (n) энергетическим уровням этого электрона [4].
Таблица 1
Диапазон первого электрона атома лития, эВ
значения
n = 2
n = 3
n = 4
n = 5
n = 6
Eph
(эксп.)
–
3,83
4,52
4,84
5,01
Eph
(теор.)
1,88
3,83
4,51
4,83
5,00
Eb
(теор.)
3,51
1,56
0,88
0,56
0,39
Понятно, что одноименные атомы соединяются в молекулы ковалентной связью и энергии связи меж валентными электронами, соответствуют дробным квантовым числам n [4]. Это даёт нам возможность найти, что является источником излучения фотоэлектронов: атомы либо молекулы материала фотокатода. Подставляя в формулу (5) W = 2,4 эВ и E1
= 14,05 эВ, найдем n = 2,4. Так как величина n оказалась дробным числом, то это означает, что источником фотоэлектронов являются не атомы, а молекулы лития (табл. 1).
Для фотоэлектрона натриевого фотокатода имеем: Ei
= 5,139 эВ, E1
= 13,086 эВ и W = 2,1 эВ [1], [4]. Используя математическую модель закона формирования спектров атомов и ионов (2), получим диапазон фотоэлектрона натрия (табл. 2) [4].
Таблица 2
Диапазон 1-го электрона атома натрия, эВ
значения
n = 2
n = 3
n = 4
n = 5
n = 6
Eph
(эксп.)
–
3,68
4,31
4,62
4,78
Eph
(теор.)
–
3,68
4,32
4,62
4,77
Eb
(теор.)
3,27
1,45
0,82
0,52
0,36
Величина n, определенная при помощи формулы (5), оказывается равной n = 2,5. Из этого также следует, что источником фотоэлектронов натриевого фотокатода являются не атомы, а молекулы натрия.
Математическая модель закона формирования спектров атомов и ионов (2) указывает, что в ней нет орбитальной составляющей энергии электрона. Из этого следует, что электрон не имеет орбитального движения в атоме. Молекулы образуются методом соединения разноименных магнитных полюсов их валентных электронов, которые соединены с протонами ядер также магнитными полюсами [4], [8].
анализ закона (2) формирования спектров атомов и ионов, и результаты расчета спектров (табл. 1 и 2) демонстрируют, что энергия связи Eb
электрона с ядром атома, а означает и энергия связи валентных электронов 2-ух атомов друг с другом изменяется ступенчато (5). Из этого следует, что кинетическая энергия фотоэлектронов Eb
= Eph
и величина задерживающего потенциала –V (рис. 1б) должны изменяться также ступенчато. Фотоэлектроны могут всасывать только те фотоны, которые соответствуют энергиям их связи в молекулах данного вещества. Чем больше энергия связи меж электронами в молекулах, тем большая энергия фотонов требуется для разрыва данной нам связи, и тем огромную кинетическую энергию приобретут освобождающиеся фотоэлектроны, и тем больший потенциал будет нужно для их задержания на пути к коллектору. Обратим внимание на то, что приведенная логическая цепочка очевидно следует из математической модели закона формирования спектров атомов и ионов (2) и неявно содержится в уравнении (1) А. Эйнштейна.
ток в цепи существует благодаря тому, что фотоэлектроны, излученные молекулами материала фотокатода, замещаются вольными электронами. При всем этом они непременно должны источать фотоны, энергия которых равна энергии связи электронов в молекулах, но свет, падающий на фотокатод, не дозволяет нам фиксировать это излучение.
Математическое уравнение А. Эйнштейна, описывающее экспериментальные закономерности фотоэффекта, имеет наиболее глубочайший физический смысл. При правильной интерпретации составляющих этого уравнения, оно становится математической моделью закона формирования спектров атомов и ионов, открытого нами в 1993 году и размещенного в работах [4], [9], [10], [11], [12].
Перечень литературы
Шпольский Э.В. Атомная физика. – М.: Изд-во физико-математической литературы, 1963. 575 с.
Спроул Р. Современная физика. – М.: Наука, 1974. 390 с.
Вихман Э. Квантовая физика. – М.: Наука, 1977. 415 с.
Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. – Краснодар, 2002. 320 с. (In Russian and in English).
Kanarev Ph.M. Modeling the Photon and Analyzing Its Electromagnetic and Physical Nature. Journal of Theoretics. Vol. 4…1.
Kanarev Ph.M. Model for the Free Electron. Galilean Electrodynamics. Volumes 13, Special Issues 1. Spring 2002. P. 15…18.
Kanarev Ph.M. Model of the Electron. «Apeiron» V. 7, №3…4, 2000. P. 184…193.
Kanarev Ph.M. Electrons in Atoms. Journal of Theoretics.
Канарёв Ф.М. анализ базовых заморочек современной физики. Краснодар, 1993. 255 с.
Kanarev Ph.M. The Analytical Theory of Spectroscopy. Krasnodar, 1993. 88 p. (In English).
Kanarev Ph.M. On The Way to The Physics of The XXI Century. Krasnodar, 1995. P. 269. (In English).
Канарёв Ф.М. законформирования спектров атомов и ионов. Материалы интернациональной конференции «Препядствия места, времени, тяготения». – С.-Пб.: Политехник, 1997. С. 30…37.
]]>