[
вернуться к содержанию сайта]Фотоэффект - важнейшее для современной техники физическое явление, находящее применение в солнечных батареях, детекторах света, фотоумножителях, сканерах, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах. Но, несмотря на огромную значимость фотоэффекта и более чем столетнюю историю исследований он во многом ещё не понят и таит уйму загадок. В том числе ряд явлений указывает на то, что фотоэффект имеет существенно неквантовый, а волновой характер. Из таких эффектов наиболее известен селективный (векториальный) и нелинейный фотоэффекты [1, 2].
Селективный фотоэффект состоит в том, что вблизи некоторых строго индивидуальных для каждого металла частот падающего света фототок заметно возрастает. Пик фототока очень напоминает резонансную кривую, доказывая, что воздействие света носит резонансный, волновой характер. Также волновой характер явления подтверждает и тот факт, что селективный фотоэффект имеет место лишь для поляризации лежащей в плоскости падения, тогда как для поперечной эффект отсутствует. Современная физика, принимающая квантовую теорию фотоэффекта, не может объяснить этих явлений.
Но такое объяснение легко найдётся, если применить к явлению волновую теорию света. Обычно считают, что свет вырывает электроны лишь с поверхности металла, поскольку металл эффективно отражает световые лучи. Но селективный эффект, как увидим, возникает, поскольку на некоторых частотах металлы хорошо поглощают свет, который проходит в толщу металла и тем самым наращивает фототок. Поскольку поглощение имеет как раз резонансный характер и связано с наличием собственных частот колебаний электронов, то и фототок имеет выраженный пик в полосе поглощения.
Наличие поглощения ответственно и за чувствительность фотоэффекта к поляризации. Как говорилось, поглощение приводит к тому, что свет проникает в толщу металла. Это связано с тем, что вблизи резонансных частот диэлектрическая проницаемость ε=n2 среды (в случае металла ε электронной плазмы) сильно меняется. В итоге и действительная и мнимая часть показателя преломления могут существенно снизиться. С одной стороны это приведёт к уменьшению проводимости металла, вплоть до того, что его можно будет условно считать диэлектриком вблизи данных частот. С другой стороны уменьшение модуля показателя преломления приведёт по формулам Френеля к уменьшению коэффициента отражения металла и соответственно к более эффективному воздействию света за счёт проникновения в металл. И действительно в области ультрафиолета, где в основном и наблюдается селективный фотоэффект, многие металлы хорошо поглощают и плохо отражают свет. Так, серебро, имеющее высокую отражательную способность R=95 % в видимом свете и потому применяемое в качестве отражающего покрытия зеркал, вблизи λ=316 нм уменьшает отражательную способность до 4,2 % - то есть становится по свойствам близко к стеклу [1].
Поэтому металл можно описывать на языке оптики диэлектриков, используя формулы Френеля, но только с комплексным показателем преломления. А формулы Френеля как раз показывают, что излучение с различной поляризацией по-разному проникает в среду и отражается. Лучше всего отражается излучение именно с поперечной поляризацией. А при большом показателе преломления, который можно приписать металлу на основании его отражательной способности, получим, что почти всё излучение поперечной поляризации отразится. Поэтому свет с такой поляризацией воздействует лишь на поверхность металла, отражаясь ею и не проникая в его толщу. Вот почему для поперечной поляризации отсутствует селективный фотоэффект. Зато свет с продольной поляризацией, как показывают формулы Френеля, эффективно проникает в металл, причём тем лучше, чем больше угол падения φ. Поэтому фототок должен нарастать с увеличением угла падения вплоть до угла Брюстера, который при больших n близок к 90º. Именно такая зависимость фототока от угла падения и наблюдается в опытах - фототок монотонно нарастает с увеличением угла φ от 0 до 90º.
Та же зависимость фототока от поляризации и угла падения наблюдается в нелинейном фотоэффекте, суть которого состоит в том, что достаточно интенсивный свет частоты f приводит к вырыванию из металла не только электронов энергии E=hf, но и удвоенной, а также кратной энергии E=2hf; 3hf; … Найденная зависимость от поляризации доказывает, что и здесь свет проникает в толщу металла и вырывает электроны уже не только с поверхности. Действительно, свет высокой интенсивности, несмотря на затухание, может сравнительно глубоко проникать в металл. Видимо, в этом и состоит причина нелинейного фотоэффекта. За счёт проникновения интенсивного света вглубь металла возникают нелинейные эффекты, в том числе эффект умножения оптических гармоник, удвоения частоты, то есть свет частоты f преобразуется в свет частот 2f; 3f и т.д. И уже это вторичное излучение выбивает из металла электроны энергии E=2hf; 3hf. Удвоение частоты может происходить как в объёме металла, так и в отдельных его кристаллов, ориентированных случайным образом, в том числе таким, который обеспечивает синхронизм и эффективное преобразование первой гармоники во вторую.
Обычно нелинейный эффект объясняют поглощением электроном сразу двух или трёх фотонов в сильных потоках света и получением им соответственно удвоенной и кратной энергии. Но поскольку такая квантовая трактовка не позволяет объяснить зависимость фототока от поляризации, ей следует предпочесть чисто волновое объяснение нелинейного фотоэффекта. В связи со всем перечисленным встаёт вопрос, а насколько вообще оправдано применение квантовой теории фотоэффекта, предложенной Эйнштейном, если в ряде случаев эффект имеет существенно волновой характер. Долгое время считалось, что волновая теория света не способна объяснить фотоэффект. И всё же такое объяснение существует. Оно было предложено ещё М. Планком, который предположил, что источник энергии фотоэлектронов заключён не в свете, а в самом металле [8]. Электроны уже изначально обладают требуемой энергией, свет же лишь включает спусковой механизм фотоэффекта, приводя к их выбросу. Эта теория объясняет и зависимость энергии электронов E=hf от частоты f выбившего их света. Как впервые показал тот же Макс Планк энергия осцилляторов (электронов в атоме) связана с частотой их колебания f как раз законом E=hf. То есть в металле различные атомы содержат электроны колеблющиеся, вращающиеся с самыми разными частотами (именно эти колебания образуют тепловой спектр металла). Свет - электромагнитная волна частоты f - попадает в резонанс с электронами, колеблющимися с той же частотой f, и благодаря совпадению частот вырывает их из атома (как во внутреннем фотоэффекте) с сохранением их энергии E=hf, приводя к вылету из металла. Гипотеза Планка не только классически, неквантово объясняет безынерционность фотоэффекта, наличие красной границы и закон E=hf, но и ряд тонких особенностей фотоэффекта, открытых ещё Столетовым и необъяснимых с позиций квантовой теории фотоэффекта.
В том числе это усталость фотоэффекта - уменьшение с течением времени фототока, несмотря на постоянный уровень освещения [4]. Словно металл истощается, теряет энергию и потому выбрасывает всё меньше электронов. Другой открытый Столетовым эффект состоит в температурной зависимости фототока: чем сильней нагрет металл, тем больше его фототок, причём явление сказывается при температурах существенно меньших начала термоэлектронной эмиссии [4]. Эти эффекты доказывают, что источник энергии фотоэлектронов, как и предполагал Планк, скрыт не в свете, а в металле, тогда как свет служит своего рода запальной искрой, ведущей к взрыву металла электронами, словно бочонка с порохом. То, что фотоэффект - этот фундамент квантовой физики - имеет простое классическое объяснение, весьма примечательно, поскольку ставит под сомнение всю квантовую физику. Также классическая теория фотоэффекта имеет важное практическое значение, скажем в плане увеличения КПД солнечных батарей - самого простого и экологически чистого источника энергии в будущем.
1. Сивухин Д.В. Оптика (ОКФ-IV). М.: Наука, 1980.
2. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.
3. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989.
4. Болховитинов В. А.Г. Столетов. М., 1957.
5. Гапонов В.И. Электроника. Ч. 1., М.: Физматгиз, 1960.
6. Семиков С. Революция в учении о свете // Инженер №12, 2006.
7. Семиков С. Столетов и фотоэффект // Инженер №2, 2009.
8. Мороз О. Свет озарений. – М.: Знание, 1980.
9. Семиков С. Свет - волна ли? // Инженер №6, 2006.
10. Матвеев А.Н. Атомная физика. М.: Высшая школа, 1986.
Дата установки: 12.05.2009
[вернуться к содержанию сайта]
