Зависимость задерживающего потенциала от материалов катодов

Рис. 87. Схема эксперимента по фотоэффекту

Схема, представленная на рис. 87, b, соответствует схеме включения гальванометра в опыте А. Г. Столетова (рис. 85, c). Как видно (рис. 85, c и рис. 87, 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. 87, 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.

И, тем не менее, сообщается, что если увеличивать световой поток, то величина тока также увеличивается () и при определённом напряжении становится постоянной (рис. 88, а). Величина напряжения , при котором ток равен нулю, называется задерживающим потенциалом. Для понимания сути анализируемого процесса введём очень важное понятие — начальный задерживающий потенциал. Это необходимо потому, что он фиксируется при смене частоты света, облучающего пластину К (рис. 87, b).

На рис. 88, b — три разных начальных задерживающих потенциала . Это значит, что при последовательном увеличении частоты фотонов, начальный задерживающий потенциал каждый раз оказывался большим. Это фундаментальное следствие указывает на то, что увеличение частоты фотонов, поглощаемых валентными электронами атомов, входящих в молекулы, расширяет диапазон разрушаемых энергий связи ступенчато. Это значит, что начинают освобождаться не валентные электроны (2 или 2’, 3 или 3’ рис. 86). Вполне естественно, что ступенчато увеличивается и количество свободных электронов, которые, как считается, надо задерживать.

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.

Рис. 88. Зависимость задерживающего потенциала V от частоты фотонов

(1 и 2 – разные материалы катодов)

Зависимость задерживающего потенциала от материалов катодов показана на рис. 88, с. Из неё следует, что величина задерживающего потенциала для катода из конкретного материала зависит линейно от частоты фотонов, падающих на катод. Причём, линии изменения этих зависимостей для катодов из разных материалов имеют один и тот же угол наклона.

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. 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.

А теперь обратим внимание на то, что источником питания является батарея (рис. 87, b). Потенциал на её электродах меняется с помощью резистора. Вполне естественно, что резистор вызывает падение напряжения на клеммах батареи. Величина этого падения зависит от количества витков резистора, включенных в работу. При максимальном количестве витков, включённых в работу, падение напряжения будет максимально. Вольтметр V показывает остаток потенциала на клеммах батареи.

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.

Берём вначале пластину с материалом 1 (рис. 88, c), которая, согласно схеме на рис. 82, b, выполняет роль катода К. Когда пластина не облучается, то её потенциал будет равен той части потенциала на клеммах батареи, которая не расходуется на падение напряжения на клеммах батареи включённым резистором.

Если начать облучать пластину (рис. 88, 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.

Далее, увеличение частоты фотонов, посылаемых на поверхность пластины К, увеличивает количество освобождаемых электронов ступенчато и задерживающий потенциал на этой пластине растёт ступенчато (рис. 88, 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.

Из описанного следует, что последовательное увеличение частоты, а значит и энергии фотонов, позволяет им освобождать электроны с большими энергиями связи и таким образом увеличивать количество свободных электронов. В результате растёт величина потенциала на пластине К и, чтобы закрыть путь электронам, формирующим этот потенциал, необходимо увеличить потенциал на клемме батареи (рис. 87, b) путем уменьшения сопротивления резистора (рис. 87, b). Последовательность этой операции приводит к получению прямолинейной зависимости между задерживающим потенциалом V и частотой фотонов, облучающих пластину (рис. 87, b). Например, на рис. 87, b показано, что фотоны с частотой формируют на пластине К потенциал, который можно удержать потенциалом на клеммах батареи.

Желающие могут проверить достоверность описанной интерпретации физической сути задерживающего потенциала, установив второй амперметр в цепи (рис. 87, b): пластина А (анод) — плюсовая клемма батареи. При любом увеличении частоты фотонов, посылаемых на поверхность пластины К, второй амперметр ничего не покажет, доказывая глубину ошибочности существующей интерпретации фотоэффекта. Вторая пластина (А) вообще не нужна в этой схеме. Наличие вакуума желательно, так как это уменьшает разрядку пластины К за счёт ионизации воздуха вблизи её поверхности.

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.

А теперь рассмотрим работу радиолампы накаливания (рис. 89, а). На схемах (рис. 89, b и с) показано, что катод радиолампы нагревается дополнительным источником питания напряжением 30 В.

Известно, что при нагревании атомов их электроны поглощают фотоны и уходят на более высокие энергетические уровни, удалённые от ядер атомов. Вполне естественно, что существует предел энергии фотонов, поглощаемых электронами, который называется энергией ионизации электрона. Поглотив такой фотон, электрон теряет связь с протоном ядра и становится свободным. Если катод (-) и анод (+) поместить в вакуум, то, как считается, отрицательно заряженный электрон полетит к положительно заряженному аноду (рис. 89, b) и в цепи появится ток. Показания амперметра (рис. 89, b) доказывают достоверность такой интерпретации. Но у нас возникает наивный вопрос: что формирует положительный электрический потенциал на аноде?