Закон Бугона: Як Опір Залежить від Температури та Матеріалу

Експеримент, що порушив класичну оптику

Сфокусуйте світло на чистій металевій поверхні та, за певних умов, електрони відштовхуватимуться від неї – фотоелектронний ефект, спочатку зафіксований Генріхом Герцем у 1887 році та систематично вивчений Філіпом Ленердом близько 1902 року. Класична хвильова теорія передбачала, що світлова хвиля несе енергію пропорційну її інтенсивності (яскравість), тому слабкий червоний колір, достатній для накопичення енергії, щоб відштовхнути електрон, або яскраве світло будь-якого кольору завжди повинно це робити. Жодне з цих передбачень не витримало контакту з фактичними даними.

Який експеримент насправді показав

Два результати не вписувалися у хвильову картину. По-перше, нижче певної порогової частоти, яка залежить від металу, жодні електрони не вилітають, незалежно від того, наскільки інтенсивно світло; переведіть блідий фіолетовий ліхтарик у блискучий, і нічого не станеться, якщо частота занадто низька; немає затримки-потім-випромінювання, випромінювання просто ніколи не починається. По-друге, над порогом електрони вилітають миттєво (в межах наносекунд, а не вимірюваний час наростання, який передбачає хвильова картина для слабкого світла), і їх максимальна кінетична енергія залежить лише від частоти світла, лінійно зростаючи з нею — збільшення інтенсивності при фіксованій частоті випромінює більше електронів на секунду, але не робить кожен окремий електрон швидшим.

Пояснення фотонів Ейнштейном (1905)

Ейнштейн розв’язав це в своїй статті 1905 року, запропонувавши, що світло само по собі квантується у дискретних пакетах – фотонах – кожен з яких несе енергію E = h*f, пропорційну лише частоті, а не інтенсивності. Фотоелектричне явище — це передача одного фотона всієї своєї енергії одному електрону в одній зіткненні. Електрон використовує частину цієї енергії, щоб вирватися з поверхні металу (фіквувана енергія, що називається функціональною роботою, φ, яка є специфічною для кожного металу), і зберігає решту як кінетичну енергію:

KE_max = h*f - phi h Постійна Планка (6.626e-34 Дж·с) f частота падаючого світла phi функціональна робота металу (мінімальна енергія для звільнення електрона) KE_max максимальна кінетична енергія висланних електронів Це одне рівняння пояснює обидві загадкові спостереження одночасно. Якщо h*f менше ніж φ, жоден фотон не несе достатньо енергії для звільнення електрона, хоч скільки б фотонів на секунду не надходило – отже, жорсткий поріг частоти f0 = φ/h, незалежний від інтенсивності. Якщо h*f перевищує φ, кожен поглинений фотон звільняє один електрон практично миттєво, а залишене енергією h*f - φ стає кінетичною енергією цього електрона – тому KE_max лінійно зростає з частотою і повністю не залежить від інтенсивності. Інтенсивність лише встановлює кількість фотонів на секунду, і отже, кількість вивільнених електронів на секунду (струм), але ніколи не визначає енергію окремого з них.

KE_max = h*f - phi

h      Planck's constant  (6.626e-34 J*s)
f      frequency of the incident light
phi    work function of the metal (minimum energy to free an electron)
KE_max maximum kinetic energy of an ejected electron

Електрофоретичний ефект та квантування світла

Електрофоретичний ефект, який спостерігається при проходженні електричного струму через розчинений розчин, є прямим доказом того, що світло складається з дискретних частинок. Це явище підтверджує концепцію квантування світла, вперше запропоновану Максом Планків.

Експерименти з фотоефектом показали, що світло випромінює енергію у вигляді дискретних пакетів (квантів), які взаємодіють з речовиною. Цей ефект також підтвердив існування хвилевих та корпускулярних властивостей світла – явище, яке стало відоме як дуалізм хвилі-частинки.

Вимірювання постійної Планка (h) в експерименті з фотоефектом дозволило обчислити енергію одного фотона. Ця константа є фундаментальною у квантовій механіці та визначає зв'язок між енергією і частотою світла.

Читання керуючих елементів симуляції

Переміщення ползунка частоти світла вгору змінює частоту світла f вище або нижче phi/h для обраного металу, перемикає випромінювання увімкненим чи вимкненим і встановлює швидкість викиданих електронів, коли воно увімкнено. Збільшення інтенсивності на фіксованій частоті вище порогу збільшує швидкість прибуття фотонів і, відповідно, кількість вилетівших електронів за секунду (струм), візуально не змінюючи швидкості, з якою будь-який окремий електрон покидає. Перемикання металів змінює phi, що зміщує частоту порогу – легкоіонізувані метали, такі як цезій, мають низьку енергію роботи та випромінюють електрони навіть при видимому світлі, тоді як метали, такі як платина, потребують ультрафіолетового світла для очищення їх набагато вищої енергії роботи.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Photoelectric Effect і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.