У нас, в макромире катастроф хоть пруд-пруди, а тут ещё какая-то УФ — катастрофа?! УФ, это всего лишь аббревиатура УльтраФиолетовая. Но обо всём по порядку... На рис.1 всякие загогулины и какие-то пояснения? Всё это связано с тепловым излучением... Все эти кривульки получились с помощью АЧТ, — Абсолютно Чёрного Тела. АЧТ по закону Кирхгофа является сильным излучателем. Российско-советский физик, ученик А. Г. Столетова В. А. Михельсон предложил модель этого АЧТ в виде полости (разрез на рис.5.) с маленьким отверстием в стенке. Свет однажды попав внутрь, многократно отражать от внутренней поверхности и постепенно поглощаясь уже никогда не выйдет наружу. А, это и есть главное качество АЧТ. Грубую модель Вы можете видеть днём на улице. Даже в солнечную погоду окна домов будут выглядеть чёрными. Пусть и не на все 100 но свет попавший в квартиру не выйдет обратно. И вот нагревая это АЧТ через отверстие можем наблюдать (фиксировать) излучение и определить лучеиспускаемую способность АЧТ. При постоянной температуре зависимость спектральной излучательной способности от длины волны Вы и видите на рис.1.
Все эти полученные загогулины конечно хорошо, если бы не одно но?! Всё это экспериментальные штучки... И вот два дядьки Рэлей и Джинс вывели некую формулу, закона получившего погоняло «формулы Рэлея-Джинса» рис.1а. В соответствии с ней с уменьшением длины волны (увеличения частоты) энергия должна была возрастать до бесконечности, но получилось как всегда! А именно прямо по загогулине... Да, с увеличением температуры излучение в общем виде возрастает. А, вот по диапазону волн полный раздрай. При относительно больших длин волн всё плюс/минус соответствовало формуле. Но чем короче длина волны (увеличение частоты) всё пошло далеко не по закону?.. Образовался некий пик, максимум и самое противное резкий спад в области ультрафиолета. Очень обрадованный таким австро-российкий-ниденрландский физик Пауль Эренфест назвал это «Ультрафиолетовой катастрофой!» Это был первый (и далеко не последний) звоночек! За дверью уже стояла КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА! И как гласит легенда, за дело взялся Макс Планк!
Осенью 1900 г., сопоставив все полученные к этому времени результаты, Макс Планк сумел наконец «угадать», формулу которая вроде бы полностью соответствовала экспериментальной кривой рис.1. О полученных результатах 14 декабря 1900 г. он и сообщил на заседании Немецкого физического общества. Но располагать готовой формулой и уметь её вывести — разные вещи. Почему её никак не удаётся вывести теоретически? Почему применение законов классической физики всё время приводят к неверному результату? Как уж там было дело, но Планка вдруг осенило, — свет излучается не непрерывно, а порциями, — КВАНТАМИ. А, уж там, как повезёт?! Так, что УФ-катастрофа из этой же «оперы».
Вот те раз, так оказывается Планк не вывел знаменитую формулу, а по-школьному подогнал ответ?! А, формула оказывается чисто эмпирическая? Эмпирический это от греческого empeiria «опыт», основанный на опыте. Эмпирическая формула — математическое уравнение, полученное опытным путём, методом проб и ошибок или как приближённая формула из экспериментальных данных. Таким образом, на момент открытия оно не имеет известного теоретического обоснования. Да, Планк был не первым в таких «грязных» делах. Существуют и в других науках эти чёртовы эмпирические, в частности и в радиотехнике... Есть даже целая технология «угадывания» формул. На тот момент вся его заслуга именно в «угадывании» формулы. И даже введение квантовой природы «Ультрафиолетовой катастрофы» не дало ответ?! Так почему так резко пошла кривая вниз и почти до нуля?! Да, я понимаю, что только квантовая причина организовала катастрофу. Поэтому мало квантов излучает АЧТ отсюда и кривая так резко пошла вниз, всё правильно! Осталось понять, а почему их стало мало? Лично для меня вопрос остаётся открытый?!
Всё получается как в колхозном анекдоте! Это про то как колхоз послал конюха учиться на шофёра. «Да, я всё понимаю, — сокрушался конюх, — руль, мотор, колёса, тормоз. А вот куда же лошадь-то запрягать?!!»
И, вот как только, так сразу после катастрофы подкатили ещё одну головную боль ФОТОЭФФЕКТ! Попросту, испускание электронов веществом под действием света. И как оказалось это были лишь цветочки... Но об этом потом, а пока об ФОТОЭФФЕКТЕ...
Как обычно, всё начиналось с экспериментов. Первым заметил неладное Генрих Герц. Вообще-то он занимался совсем другим делом, изучением рождения электромагнитных волн. Очень надеюсь, очень, что Вы хотя бы один раз видели молнию... А, кое-кто слышали в радиоприёмнике или телевизоре треск в момент вспышки молнии? Это в момент разряда рождается электромагнитная волна. Кстати и радио как явление начиналось с этого же. Приёмник ведь так и назывался ГРОЗООТМЕТЧИК! Чем развлекался Генрих? Он на два металлических шарика подавал высокое напряжение. Далее происходил разряд (маленькая молния). Как уж там было, но при освещении отрицательно заряженного шарика дуговой лампой напряжение в момент разряда было меньше чем до того?! Позже А.Г. Столетов тоже сделал вывод о том, что при облучении из катода выбиваются отрицательные частицы позже названные электронами. Такое явление и было названо ФОТОЭФФЕКТОМ!
Повторим опыт Герца в несколько другом виде рис.3. Надеюсь Вы ещё не забыли школьные годы чудесные? А, заодно и электрометр (ЭМ)? Если рабочий электрод зарядить отрицательно, то зарядится и подвижная стрелка. А, так как одноимённо заряженные тела отталкиваются друг от друга, то край стрелки отклонится от основного электрода. А, теперь (заранее) закрепим на кончике электрода цинковую пластинку (П). Зарядим всё это и облучим светом той самой электрической дугой, лампой Л, то заряд уменьшится. Зарядим наоборот положительно, эффекта не будет. Получается, что свет вырывает только электроны! Проведём опыт с другим металлом, результат будет иной, в смысле разряд либо больше, либо меньше но будет. Вернёмся снова к первому варианту, но между лампой и пластиной поместим обычное, оконное стекло, — эффект отсутствует! Оконное стекло не пропускает ультрафиолет! Тот же результат будет после замены электрической дуги лампой Ильича. Получается, что главная роль у ультрафиолета, или не совсем обязательно?!
Есть такая категория учёных-экспериментаторов, благодаря которым и появляется головная боль! Начиналось ведь всё с Генриха Герца, потом Александра Столетова и почти немецкого физика Филиппа Ленарда. И уж потом ввязались Максик Планк с Альбертиком Эйнштейном. И вот на брудершафт, на основе опытов открыли эти чёртовы законы фотоэффекта. Но перед законами были проведены эксперименты более серьёзные. Вот на рис.8 вся схема опыта. Стеклянная колба с вакуумом внутри. На отростке 3 вход (кварцевое стекло) для монохроматического, светового потока. Потенциометром R регулируется напряжение U на электродах колбы: катод 1 и анод 2. Ток в цепи измеряется микроамперметром mA. На рис.7 график зависимости тока I от уровня напряжения на электродах колбы при двух уровней светового потока Ф1 и Ф2. Результаты опыта таковы: даже при напряжении U=0, ток в цепи не равен нулю. Значит электроны выбитые светом обладают кинетической энергией достаточной чтобы добежать до канадской границы 2. Ток прекращается лишь при -Uз. Это значит, что кинетическая энергия электронов ограничена и равна Еkmax = eUз, так ещё работе против сил запирающего поля! Глядя на график, видим, что существует ток насыщения Iн и что количество электронов в единицу времени ограничено и не зависит от напряжения. Но в тоже время зависит от величины светового потока Ф.
1. Количество фотоэлектронов, вылетающих из катода за единицу времени, прямо пропорционально падающему на катод световому потоку (интенсивности) и не зависит от частоты.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от светового потока (интенсивности) а, линейно зависит от частоты падающего света (с увеличением линейно увеличится).
3. Для каждого вещества существует минимальная частота Vмин, при которой и происходит сам фотоэффект. Это называется КРАСНОЙ границей фотоэффекта.
Явление фотоэффекта – это явление без инерции, в момент приостановки светового потока тут же исчезает фототок, с поступлением света фототок появляется. Первый закон (само-собой) вывел Столетов, а вот второй и третий Филипп Ленард.
Примечание: у разных источников нумерация законов указывается от балды! Так, что если Вы очень, ну очень дотошный читатель не берите в голову?! Я ведь за, что купил, за то и продаю! Главное понять суть...
Ну хорошо, законы есть: милиция, полиция, приставы... Так, а лошадь-то куда запрягать?! Вот тут-то и нарисовались Максик с Альбертиком! Итак Планк ввёл понятия квантовой сущности света рис.2. Эйнштейн пошёл ещё дальше и выдал секреты фотоэффекта рис.8а. Проще на картинке рис.4. Чтобы вырвать электрон из лап атома нужно совершить работу А. По картинке вытащить электрон из потенциальной ямы с условной глубиной Н. И дать ещё под зад коленкой приплюсовав ещё и кинетическую энергию, придав электрону скорость V. Это про канадскую границу... И последнее, так как работа выхода А напрямую зависит от частоты (по Эйнштейну), то для разных металлов А различная при всём, что минимальная частота тоже различная. Стало быть hv > А и при постоянной Планка всё зависит от частоты (длины волны). Вот оказывается откуда взялась КРАСНАЯ граница?! Не путайте с КРАСНОЙ линией для западных подонков, желающих нам, как минимум смерти!!!
Ну, а как же с лошадью? Вот на рис.6 полезная штучка, — ФОТОЭЛЕМЕНТ небольшенький прибор используемый везде, где нужна реакция на действие света и в частности считывания звукозаписи с киноленты. В кино короче. Да, сейчас вполне возможны новые технологии. В моей практике это 60-70 годы. Да, рано или поздно всё это уйдёт в историю... Но я не думаю, что Вы будете по американски считать, что булки растут на деревьях. В смысле соображать, что есть, что?!!