Внешний фотоэффект. Спорные вопросы

» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
» Все публикации автора

Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»

Ноябрь, 2017 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №8 2017

Автор: Барбатунова Анжелика Витальевна, частный предприниматель
Рубрика: Физико-математические науки
Название статьи: Внешний фотоэффект. Спорные вопросы

Статья просмотрена: 1097 раз

УДК 53.043

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ: СПОРНЫЕ ВОПРОСЫ

Барбатунова Анжелика Витальевна.

Инженер – физик, частное лицо

Аннотация. Общепринятое объяснение механизма фотоэффекта, несмотря на несколько известных работ, отмеченных Нобелевскими премиями, вызывает больше вопросов, чем ответов. В статье рассматриваются основные спорные вопросы по механизму фотоэффекта, причины их возникновения, и обозначаются основные направления, требующие доработки.

Ключевые слова: внешний фотоэффект, фотоэлектрон, импульс фотоэлектрона, энергия Ферми, кинетическая энергия фотоэлектрона.

1. Вводная часть.

Общепринятая формула фотоэффекта приводит к нарушению законов сохранения энергии и импульса;

при применении задерживающего напряжения происходит погашение огромных скоростей на протяжении нескольких сантиметров до анода, с ускорениями (торможением) больше 300000000 м/с²;

при резком торможение фотоэлектрон может излучать фотоны с гораздо большей энергией (рентгеновский диапазон), чем фотон – инициатор, что небезопасно.

К сожалению, без непосредственных расчетов эти утверждения неочевидны, поэтому рассмотрим процесс на конкретном примере.

Пусть фотоны с энергией Дж ; импульсом кг*м/с, бомбардируют медную пластинку (энергия Ферми меди Дж).
После вычитания энергии Ферми из энергии нашего фотона останется Дж. Обозначим эту энергию как .Именно эта, оставшаяся энергия, и назначается в формуле кинетической энергией фотоэлектрона Дж, где m- масса электрона (кг); v - скорость.
Отсюда можно найти скорость, которую получит электрон м/с, и импульс фотоэлектрона кг*м/с.

Полученный импульс фотоэлектрона намного больше того, который смог бы передать ему фотон, даже не учитывая энергию Ферми. , а конкретно в нашем примере – более чем в 235 раза.

Изучая вольт-амперную характеристику фотоэффекта (т. е. зависимость фототока от напряжения между электродами ) используют задерживающее напряжение [1]. В случае, когда ни один из фотоэлектронов, вылетевших из катода, не может преодолеть задерживающее поле и достичь анода. На основании того, что электрон движется, а значит, имеет некоторую кинетическую энергию, делают вывод о том, что эта кинетическая энергия фотоэлектрона и равна энергетическому эквиваленту задерживающего напряжения

В нашем примере, именно, 9.3022*10^-19 Дж потребуется погасить при использовании задерживающего напряжения. Между анодом и катодом всего несколько сантиметров. И буквально за два сантиметра должна аннулироваться вся энергия, иначе такое задерживающее напряжение ничем бы не помогало. Мы можем рассчитать ускорение (торможение), которое возникнет при торможении фотоэлектрона при применении задерживающего напряженияДж, где F – сила; a – ускорение; s – расстояние между катодом и анодом; m – масса электрона.

м/с².

Другими словами, ускорение фотоэлектрона в несколько раз превышает возможное ускорение 300000000 м/с².

Если проследить дальнейшее поведение фотоэлектронов, то для экспериментаторов все может оказаться совсем небезобидно. При торможении, или остановке электрон, естественно, будет излучать. Энергию фотона, который может быть излучен фотоэлектроном, движущимся со скоростью 1 429 838,998м/с, можно найти по формуле: , где - внутренняя энергия электрона; - скорость фотоэлектрона. Частота такого излученного фотона V=5.8928*10¹⁷, а длина волны порядка 5.091*10^-10м, что соответствует рентген излучению.

Можно посмотреть с другой стороны. Например, можно найти скорость электрона соответствующую энергии Ферми, цифра которой будет означать скорость, при которой выхода электронов из металла еще не произойдет. В нашем случае, эта скорость равна 1 262 980 м/с. Если использовать достаточную интенсивность, и достаточно продолжительно освещать катод, то вполне допустимо рассмотреть эту скорость как скорость теплового движения электронов, и она будет соответствовать температуре

К. При такой температуре медь будет испаряться, а фотоэлектроны все еще не смогут покинуть металл. Следует заметить, что наш фотон соответствовал температуре всего порядка 24166 К.

2. Вероятные причины нарушения законов сохранения в объяснении фотоэффекта.

2.1 Правомочность применения формулы кинетической энергии.

В учебниках [1-3] фотоэлектрон приобретает энергию фотона в результате единичного акта неупругого столкновения, и тратит ее на выход из металла и на путь до анода. Расход полученной энергии описывается в два этапа: затраты энергии на выход из металла (она же энергия Ферми), и затраты энергии на сообщение вылетевшему (из металла, и оказавшемуся за пределами электронного облака на поверхности металла) фотоэлектрону кинетической энергии [1].

Сама по себе формула кинетической энергии описывает процесс воздействия силы на покоящееся тело, когда в результате воздействия этой силы, тело подвергается ускорению на протяжении некоторого пути, и в конце этого пути получает скорость v. Применима ли формула кинетической энергии для единичного акта неупругого столкновения?

Есть разница между воздействием силы на тело в течение некоторого времени, за которое это тело приобретает кинетическую энергию , и одномоментной передачей импульса. То есть, между процессом совершения работы, и передачей импульса. Например, разгон электрона до нашей скорости 1 429 838.998 м/с с кинетической энергией 9.3022*10^-19 Дж подразумевает продолжительность этого действия в течении 1секунды, и происходит на протяжении некоторого пути, примерно 714 919 м.

А, например, бильярдный шарик после столкновения с другим шариком свою скорость приобретает практически сразу. Сила на него действует только во время удара. После столкновения никакая сила на него уже не действует. При неупругом столкновении картина складывается точно такая же.

Если произвести пересчет, ориентируясь на импульс фотона, и переведя энергию Ферми в условный импульс , то величины и импульса, и энергии придут в соответствие с законами сохранения.

В нашем конкретном примере:

откуда м/с. Таким образом, наш фотоэлектрон получает импульс, не превышающий импульс фотона: кг*м/с, а сумма величин импульса фотоэлектрона, и условного импульса энергии Ферми равна импульсу начального фотона в соответствии с законом сохранения.

При резком торможении такой фотоэлектрон сможет излучить фотон с энергией Дж, то есть, с энергией не больше, чем осталось после вычитания энергии Ферми. И с меньшей энергией, чем у первоначального фотона.

2.2 Правомочность приравнивания энергии фотона к кинетической энергии.

Несмотря на декларируемое сохранение энергии, на самом деле, при неупругом столкновении действуют силы, зависящие не от величины самих деформаций, а от скорости этих деформаций, и мы имеем дело с силами, подобными силам трения, поэтому закон сохранения механической энергии не должен соблюдаться. Вследствие деформации происходит потеря кинетической энергии, перешедшей в тепловую, или другие формы энергии [1].

Кроме того, энергия фотона не является механической (кинетической). Она относиться к категории «внутренняя энергия», и неравнозначна кинетической энергии фотоэлектрона, поэтому ставить между ними знак равно неправомерно. Существует много разных видов энергии: внутренняя, кинетическая, потенциальная, полная, и для каждой из них значения будут разные. Поэтому приравнивание энергии вида и , рассчитанные исходя из скорости света, к кинетической энергии приводит к нереальным скоростям. Например, прировняв внутреннюю энергию электрона к его кинетической энергии, получим скорость электрона 424264068.7 м/с.

При распределении этого явления по скоростям, такое приравнивание приводит к тому, что, изначально, электрон от фотона с энергией 1.656*10^-18 Дж может получить скорость примерно 1 907 763 м/с. В процессе выхода из металла потеряет 7.2578*10^-19 Дж, и 1262986 м/с, останется всего – 644 777 м/с. А после выхода из металла опять, каким-то образом, увеличивает свою скорость до 1 427 838.998 м/с.

3. Вопросы, касающиеся непосредственно механизма фотоэффекта.

В общепринятом объяснении механизма фотоэффекта задействованы свободные электроны, которые получив энергию фотона, покидают пределы металла, оказываясь на его поверхности, в так называемом, электронном облаке. Однако, свет практически не проникает в толщу металла, поэтому «выход фотоэлектронов из металла» под действием света несколько сомнителен. Более того, для получения эффекта освещаемую поверхность необходимо тщательно очистить (в вакууме). То есть, на поверхности металла необходимо создать определенные условия, заключающиеся в оголении поверхностных молекул металла. Отсюда можно выдвинуть предположение о том, что явление фотоэффекта целиком происходит на поверхности металла. А потеря энергии Ферми обусловлена затратами энергии на отрыв валентных электронов, связывающих молекулы кристаллической решетки, и переход их в свободное состояние. В результате чего, изменяется кол-во зарядов, и при наличии анода возникает разница потенциалов между катодом и анодом.

4. Выводы.

Учитывая вышеперечисленное, нам необходимо определиться: описываем ли мы процесс постепенного разгона электрона под действием фотона, и получаем нарушение закона сохранения импульса, а заодно и нарушение закона сохранения энергии (работы, к которой приравняли энергию фотона) потому, что у нас нет таких расстояний. Или описываем процесс как неупругое столкновение фотона с электроном и ориентируемся на импульс.

Поскольку энергия величина договорная, использовать, передавать энергию можно только условно. Непосредственно воздействовать на электрон можно только силой (она же импульс), то и ориентироваться лучше на импульс.

Для описания фотоэффекта можно использовать две формулы:

1. формулу с учетом импульса, по которой можно находить скорость фотоэлектрона:

2. формулу с учетом энергии: