© Канарёв Ф.М.

Контакт с автором: kanphil@mail.ru

Аннотация.

Ошибочная интерпретация фотоэффекта наиболее интенсивно тормозила формирование правильных представлений о взаимодействии фотонов и электронов.

Рис. 1. Схемы опытов А.Г. Столетова

Итак, считается, что фотон выбивает электрон из катода. Делать это он может лишь при одном условии – передавая свой импульс электрону. Как же он может это сделать, если размер светового фотона () на 5 порядков больше размера электрона ()? Ответ один: передача фотоном импульса электрону, находящемуся в атоме, абсолютно невозможна без процесса поглощения фотона электроном.

Рис. 2. Схема молекулы лития

Появление тока в облучаемой пластине может быть следствием двух одновременных событий.

Первое – поглощение фотона валентными (1 или 1’) и не валентными (2 или 2’ или 3 или 3’) электронами атома, находящегося в составе молекулы, и переход их в свободное состояние (рис. 2). Это и увеличивает потенциал на катоде К.

Вторая причина появления тока в проводах – поляризация фотонов в момент отражения. В результате они направляют свои спины вдоль провода и они ориентируют спины свободных электронов в проводе в таком же направлении. Обусловлено это тем, что не все фотоны поглощаются электронами материала катода. Часть из них отражается и этот процесс тоже влияет на формирование тока в цепи фотокатод – источник питания. Нам уже известно, что фотоны, падающие на отражающую поверхность, поляризуются в плоскости отражения (не отражающей плоскости, а плоскости отражения). В результате у них все спины оказываются перпендикулярными плоскости отражения и они, действуя на свободные электроны, упорядочивают их ориентацию, которая немедленно передается всем свободным электронам, и приборы фиксируют это, как появление напряжения и тока в цепи. Чем больше фотонов попадёт на поверхность катода, тем мощнее будет их суммарное магнитное поле в момент отражения, которое и сориентирует большее количество электронов и величина тока, формируемая однонаправленным движением электронов, увеличится.

Таким образом, первое событие увеличивает количество свободных электронов в проводе, а значит и величину тока. Второе событие ориентирует электроны и формирует направленный ток в проводе [2].

Результаты опытов по фотоэффекту позволяют проверить достоверность описанных событий. Для этого надо определить главное квантовое число , которое определяет энергию связи любого электрона любого атома, находящегося в свободном состоянии. В этом случае электроны могут занимать, так называемые стационарные энергетические уровни и величины их энергий связи с протонами определяются по элементарной зависимости . Здесь - энергия связи электрона с протоном ядра, соответствующая его первому энергетическому уровню . Она содержится в экспериментальных спектрах и определяется по специальной методике [2].

Если не валентный электрон атома, находящегося в составе молекулы, поглощает такой фотон, который уменьшает его энергию связи с протоном ядра до нуля и он становится свободным, то главное квантовое число в этом случае будет дробным числом.

Итак, экспериментальное значение, так называемой энергии выхода (1) фотоэлектрона, должно позволить вычислить величину главного квантового числа , при котором электрон, поглотивший фотон, становится свободным. Попытаемся найти связь работы выхода фотоэлектрона с главным квантовым числом .

Таблица 2. Спектр 1-го электрона атома натрия

Из изложенного следует обилие противоречий у существующей ошибочной интерпретации фотоэффекта, но корректность математической модели (1), описывающей этот эффект, сохраняется. Это обусловлено тем, что, как мы теперь установили, математическая модель (1) описывает лишь процесс перехода электрона из связанного состояния в свободное и не описывают его вылет из фотокатода.

А. Эйнштейн приписал энергии связи электрона с протоном работу выхода, которая, как считалось, формирует кинетическую энергию освободившемуся электрону. Теперь мы знаем, что освободившийся электрон не обладает кинетической энергией, он остаётся в зоне освобождения от связей и увеличивает количество свободных электронов в этой зоне.

Чтобы облегчить процесс формирования правильного понимания физической сути фотоэффекта, отметим главное – наличие в электрических проводах только электронов – носителей отрицательных зарядов и полное отсутствие протонов – носителей положительных зарядов. Обусловлено это тем, что соседство протонов и электронов, как мы уже отметили многократно, автоматически приводит к формированию атомов водорода, которые существуют лишь в плазменном состоянии при температуре около 5000 С [2].

Положительный и отрицательный потенциалы присутствуют в электролитических растворах. Носителями этих потенциалов являются электроны отрицательно заряженных ионов и протоны атомов водорода, входящие в положительно заряженные ионы. При этом отрицательно заряженные ионы приносят электроны к аноду - клемме батареи, которая обозначена знаком плюс (+). От этой клеммы они движутся по проводам, совершают работу во внешней сети и возвращаются к минусовой (-) клемме батареи. Здесь электроны принимают ионы, содержащие атомы водорода, в составе которых - положительно заряженные протоны, формирующие положительные потенциалы этих ионов. Так что по электрическим проводам движутся только электроны. И движутся они от анода (+) к катоду (-), если источником энергии является батарея. Это – главная информация, без знания которой невозможно найти непротиворечивую интерпретацию фотоэффекта.

На рис. 1, а показана схема эксперимента А. Г. Столетова. В электрическую сеть батареи Б включены две пластины конденсатора. Пластина А, в виде медной сетки, подключена к плюсу батареи, а цинковая пластина К – к минусу. Когда свет от источника S, проходя через медную сетку А, падает на отрицательно заряженную цинковую пластину К, то гальванометр G показывает ток.

Причина показаний гальванометра – появление разности потенциалов между пластиной К и отрицательной клеммой батареи. Эта разность обусловлена тем, что новые свободные электроны, появившиеся в пластине К, формируют процесс выравнивания потенциалов. Они делают это, перемещаясь к минусовой клемме батареи. Процесс этого перемещения фиксирует гальванометр G. Это центральный момент в понимании сути фотоэффекта, поэтому на него надо обратить особое внимание и запомнить его суть – выравнивание потенциалов [2].

Если к пластине К подключить плюс батареи вместо минуса (рис. 1, b), то электроны, идущие от плюса батареи, заряжают её отрицательно. Новые электроны, появившиеся в результате облучения той же пластины светом, не могут двигаться к плюсовой пластине батареи, окружённой отрицательно заряженными ионами. Отсутствие показаний гальванометра G подтверждает этот факт [2].

Конечно, достоверность описанной интерпретации нуждается в дополнительной проверке. Для этого надо поставить второй гальванометр в цепь: минус батареи – пластина А (рис. 1, c). Несмотря на то, что площадь сетчатой пластины A значительно меньше площади цинковой пластины К гальванометр покажет наличие тока в этой цепи. Он будет фиксировать движение новых свободных электронов, появляющихся в пластине А в результате её облучения, к положительно заряженным ионам, которые концентрируются у поверхности отрицательно заряженной пластины батареи, клемма которой обозначена знаком минус. Жаль, что нам не удалось найти литературный источник, в котором описывалось бы действие гальванометра, показанного на рис. 1, b и мы полагаем, что студенты сами проверят это.

Добавим к изложенному: существует большое количество опытов, в которых показано, что свободные электроны могут появляться в облучаемой пластине и при отсутствии на ней какого-либо первоначального потенциала. Установлено, что цинковые пластины наиболее чувствительны к облучению ультрафиолетом.

Строго говоря, особой нужды в проверке достоверности описанной интерпретации физической сути опыта А.Г. Столетова не существует, так как она реализуется в схемах работы солнечных батарей. Электроны атомов солнечных батарей, освобождённые поглощёнными фотонами, никуда не вылетают, а движутся по проводам и пополняют потенциал электролитических батарей. Так работают световые зарядные устройства батарей питания калькуляторов и других многочисленных подобных устройств.

Не будем описывать отличия в схемах экспериментальных установок для анализа фотоэффекта у разных авторов учебников по физике. Они явились следствием непонимания ими физической сути фотоэффекта. Приведём лишь две из них (рис. 5).

Давно существующая интерпретация фотоэффекта базируется на представлении, что электроны, выбиваемые фотонами из анода А и направляющиеся к катоду К, можно задержать увеличением отрицательного потенциала на катоде (рис. 5, а). Однако, сразу возникает вопрос: откуда электроны берут столь значительную энергию, чтобы преодолевать отрицательный потенциал на катоде?

Из новой теории спектров, как мы уже показали, однозначно следует, что электрон, поглотивший фотон с энергией, равной энергии его связи с протоном, становится свободным и остаётся в зоне своего рождения вместе с другими свободными электронами. Так что нет у него начальной кинетической энергии, чтобы вылететь из зоны своего освобождения, поэтому есть все основания полагать, что амперметр в схеме на рис. 4, а не будет ничего показывать [2].

Схема, представленная на рис. 5, b, соответствует схеме включения гальванометра в опыте А.Г. Столетова (рис. 1, с). Как видно (рис. 1, с и рис. 5, b), гальванометр включён в цепь: облучаемая пластина – минус батареи. Поэтому обе эти схемы должны давать аналогичные экспериментальные результаты.

Начнём анализ главной неясности, которую все физики обходят уже более 100 лет. Как понимать задерживающий потенциал, получаемый с помощью электрической схемы, показанной на рис. 5, b? Ведь потенциал на аноде А, как считается, положительный и он притягивает отрицательно заряженные электроны, но не отталкивает их и поэтому не может формировать задерживающий потенциал [2].

Рис. 5. Схема эксперимента по фотоэффекту

Далее, оказалось, что величина начального задерживающего потенциала у катодов зависит не только от частоты фотонов, но и от материала катода, что вполне естественно, так как валентные и не валентные электроны атомов, находящихся в составе молекул разных химических элементов, имеют разные энергии связи и разные диапазоны их изменения [2].

Это исключительно ценный экспериментальный факт, позволяющий раскрывать структуры атомов и молекул материалов катодов, но в научной литературе отсутствует информация об этом. Не будем описывать детали, но отметим аналогию этого следствия со следствием, следующим из закона излучения абсолютно чёрного тела и его графической зависимости. Закономерность формирования спектра излучения абсолютно чёрного тела не зависит от материала этого тела. Это значит, что все электроны всех атомов, всех химических элементов имеют близкие энергии связи на одноимённых энергетических уровнях [2].

Поскольку величину потенциала определяет количество электронов, то при большом падении напряжения большая часть электронов циркулирует в замкнутой цепи: батарея – резистор, а меньшая часть обеспечивает величину уменьшенного потенциала на клеммах батареи, который выполняет роль задерживающего потенциала. Если эта часть потенциала будет равна потенциалу на пластине К, то тока не будет. Когда потенциал на пластине К будет больше остаточного потенциала на клеммах батареи, то начнётся процесс выравнивания потенциалов и амперметр А зафиксирует его.

Если начать облучать пластину (рис. 5, b) светом, то у неё появится избыток свободных электронов, которые сформируют потенциал больший того, что остаётся на клеммах батареи после падения напряжения, вызываемого резистором. В результате начнётся процесс выравнивания потенциала и амперметр зафиксирует его своими показаниями. Чтобы прекратить этот процесс, надо увеличить потенциал на клеммах батареи. Делается это уменьшением сопротивления резистора. Это и есть причина увеличения задерживающего потенциала.

Таким образом, равенство потенциалов на пластине К и клеммах батареи и определяет величину потенциала, который называется задерживающим и который показывает вольтметр V. Величина этого потенциала регистрируется при нулевом показании амперметра G [2].

Далее, увеличение частоты фотонов, посылаемых на поверхность пластины К, увеличивает количество освобождаемых электронов ступенчато и задерживающий потенциал на этой пластине растёт ступенчато (рис. 6, b). Чтобы удержать увеличенный потенциал на пластине К, надо увеличить потенциал на клеммах батареи. Достигается это уменьшением сопротивления резистора. Факт равенства потенциалов на пластине К и на клеммах батареи регистрирует амперметр отсутствием тока в цепи: пластина К – минусовая клемма батареи.

Строго говоря, особой нужды в проверке достоверности описанной интерпретации физической сути задерживающего потенциала не существует, так как она реализуется в схемах работы солнечных батарей, где нет потенциалов, задерживающих электроны, рождающиеся в солнечных батареях. Эти электроны никуда не вылетают, а движутся по проводам и пополняют потенциал электролитических батарей [2].

Существующие представления о задерживающем потенциале в фотоэффекте глубоко ошибочны. Они противоречат принципиальным схемам работы солнечных батарей.