Презентація на тему «Опыт Столетова»

Опыты Столетова стали классическими экспериментами не только в рамках квантовой физики, но и всей физики вообще. Действительно, на их основе можно показать, как должен действовать чистый экспериментатор, желающий всесторонне исследовать явление и, насколько это возможно, дать ему описание в количественных категориях. В XX веке такое прямое исследование явлений стало с трудом осуществимым: для проведения и интерпретации результатов эксперимента необходимо задаться одной или несколькими теориями, претендующими на описание данного явления.
Опыт Столетова

В конце XIX века хоть сколько-нибудь основательной теории фотоэффекта не существовало; даже экспериментальные данные по нему были отрывочными и в основном качественными. Поэтому Александру Григорьевичу Столетову (1839–1896) только и оставалось изучать его свойства напрямую, не подразумевая какую-либо теорию такового. Схема экспериментов Столетова 1888–1890 годов изображена на рисунке ниже.

Из герметичной камеры B частично или полностью откачивался воздух. Внутри этой камеры располагалось два электрода: цельный металлический катод К и выполненный в виде металлической сетки анод А. Свет от дуговой лампы проникал в камеру через кварцевое окошко О (стекло практически не пропускает ультрафиолет) и благодаря устройству анода свободно падал на металлическую поверхность катода. Между катодом и анодом создавалось достаточно высокое напряжение (до 250 вольт), а ток в анодной цепи измерялся с помощью чувствительного гальванометра Г (точность порядка A). Столетов обнаружил, что при падении света на катод в цепи начинает течь фототок, который исчезает при закрывании кварцевого окошка. Наличие фототока наблюдалось и при наличии воздуха, и при его отсутствии — поэтому эффект никак не связан с ионизацией воздуха электромагнитным излучением. Об отсутствии этой связи также говорит зарядовая несимметричность эффекта: при подключении к аноду отрицательного напряжения относительно катода ток не начинал идти и при освещении последнего (на самом деле, ничтожный ток тек, но это происходило из-за частичного поглощения света сетчатым анодом). Из опыта следовало, что источником носителей заряда фототока является не воздух, а освещаемый катод, причем заряд этих носителей отрицательный.

Таким образом, качественная сторона явления была исследована. Далее Столетов приступил к выяснению количественных характеристик фотоэффекта, освещая катод монохроматическим светом различной интенсивности  и длины волны , а также меняя напряжение батареи . Варьировалось также давление воздуха в камере, расстояние между электродами и до дуговой лампы, материал окошка и металлы, из которых выполнены катод и анод. На основе многочисленных опытов по наблюдению внешнего фотоэффекта Столетов сформулировал три эмпирических закона:
Фототок, возникающий при освещении отрицательного электрода светом фиксированной длины волны, пропорционален интенсивности света и площади электрода.
Максимальная кинетическая энергия носителей фототока линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.
Фотоэффект имеет место, если частота падающего света больше некоторой пороговой частоты , зависящей только от материала катода.Данная пороговая частота называется красной границей фотоэффекта.

Столетов обнаружил, что у более электроотрицательных металлов (медь, золото) фотоэффект менее проявлен, чем у менее электроотрицательных (алюминий, цинк). Кроме того, он обнаружил, что фоточувствительность резко падает при намачивании катода обычной водой — несмотря на то, что она хорошо пропускает ультрафиолет. Чтобы не принимать в расчет изменения показаний гальванометра при незаметных глазу изменениях свечения электрической дуги, использовался контрольный прибор — точно такая же камера, но с не изменяемыми в течение опыта параметрами. Параметры первого прибора (напряжение между электродами, материал катода и т.д.) менялись — но перед записью новой серии данных Столетов удостоверивался в неизменности параметров дуги с помощью контрольной камеры.

Опыты Столетова явились без преувеличения всесторонним исследованием фотоэффекта. По сути дела, экспериментальная сторона вопроса была практически исчерпана. Оставалось построить теорию данного эффекта, что и сделал Альберт Эйнштейн (1879–1955) в 1908 году