Файл: Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике.pdf

в период с 1907 по 1912 г. публиковались сообщения о раз­ личных аспектах этой работы. Уже иа первых этапах этой работы, по словам Милликена, понемногу

...выяснилась необходимость поставить под сомнение обоснован­ ность всех результатов экспериментов по фотопотенцналам, если только в них не было устранено влияние поверхностных пленок либо путем их удаления, либо путем одновременных измерении-фотопотеициалов и контактной разности потенциалов в вакууме, либо путем применения обоих методов совместно. Поэтому в 1910 г. я приступил к довольно сложным экспериментам по одновременному измерению фотоэффектов и контактной разности потенциалов в вакууме на поверхностях, свобод­ ных от (окнсных) пленок.

„ Эти исследования требовали проведения ряда более или менее сложных операций, часть из которых будет рассмот­ рена ниже. Наиболее трудоемким, однако, оказалось упо­ мянутое в последней цитате устранение влияния поверх­ ностных пленок. Очевидное решение этой проблемы состоя­ ло в приготовлении поверхностей в таких условиях, при которых образование пленок было бы невозможно; несмотря на ожидавшиеся значительные трудности технического характера был выбран именно этот путь.

Во всех экспериментах с фотоэлектрическим эффектом в Райерсоновской лаборатории применялся один и тот же общий метод. Вещества, подлежащие исследованию или обработке, помещались в наиболее глу­ бокий вакуум, который можно было получить. Образцы укреплялись на колесе, которое управлялось электромагнитом; все необходимые операции выполнялись с помощью подвижных электромагнитов, нахо­ дившихся снаружи. По мере появления необходимости в новых опера­ циях трубки постепенно все больше усложнялись до тех пор, пока экспе­ риментальная установка не стала такой, что ее с полным правом можно было назвать механической мастерской в вакууме. Во всех применяв­ шихся трубках предусматривалась возможность выполнения следую­ щих операций:

1)удаление в вакууме поверхностных пленок со всех поверхностей;

2)измерение фототоков и фотопотеициалов на поверхностях, сво­ бодных от пленок;

3)одновременное измерение контактных разностей потенциалов поверхностей.

Схема одной из таких трубок представлена на фиг. 7. 1. Три цилиндра, отлитые из исследуемых металлов, укреп­ лялись на колесе W. С помощью не показанного на фигуре электромагнита колесо W можно было поворачи­ вать, чтобы поставить любой требующийся цилиндр против4

4 Д ж . Тригг

обработке. Измерение контактной разности потенциалов было основано на том факте, что если между электродом S и исследуемым цилиндром имеется разность потенциалов какого-либо происхождения, то при изменении расстояния между ними (путем наматывания поддерживающей элек­ трод 5 нити на запорный кран, расположенный сверху) возникает ток через подсоединенный к ним электрометр. Таким образом, если приложить внешний потенциал такой величины, чтобы никакого движения зарядов не было, то этот внешний потенциал как раз и будет компенсировать контактный потенциал.

При изучении самих фототоков пучок монохроматиче­ ского света проходил через окно О и падал на исследуемую поверхность. Фотоэлектроны собирались с помощью спа­ ренных цилиндров В и С, изолированных друг от друга внутри трубки, но электрически связанных снаружи.

Одна из предосторожностей, предусмотренных Милли­ кеном, обсуждается в следующем отрывке из статьи:

Поскольку цель заключалась в том, чтобы с максимально возмож­ ной точностью проверить наклон прямой, связывающей частоту падаю­ щего света с максимальной разностью потенциалов, то, во-первых, необ­ ходимо было знать частоту с высокой точностью, и, во-вторых, просле­ дить за тем, чтобы никакой другой свет с частотой, превышающей частоту, наносимую на графике *>, не проникал через щель спектро­ скопа. Для этого... в качестве источника света использовалась ртутная лампа... и для исследований выбирались только такие линии, которые не имели сателлитов в коротковолновой части диапазона... Использовались также светофильтры, которые задерживали рассеянный коротковолно­ вый свет... Поскольку нужно было измерять максимальную разность потенциалов и поскольку максимальная разность потенциалов растет с уменьшением длины волны падающего света, то чистота спектра в длин­ новолновой области не имела существенного значения.

Милликен также рассмотрел ошибки, которые преследовали других ученых, и устранил их в тех случаях, когда это было возможно. Одной из них являлась так называемая «обрат­ ная утечка» фотоэлектронов, освобождаемых из собирающе­ го электрода под действием отраженного света. При наличии таких электронов величина, принимаемая за критическую1

11 Как уже говорилось в начале главы, к этому времени уже было известно, что увеличение частоты падающего света приводит к возрастанию энергии эмиттируемых электронов.

4 *

100 ГЛАВА 7

замедляющую разность потенциалов, в действительности представляет собой разность потенциалов, при которой ток «вперед» в точности компенсирует обратную утечку. Ри­ чардсон и Комптон очень хорошо понимали значение реше­ ния этой проблемы. Милликен применял такой собирающий электрод, для которого собственная пороговая длина волны фотоэлектрического эффекта была меньше длины волны падающего света, устранив таким образом «обратную утеч­ ку» для всех линий, кроме использованной; в последнем случае он вносил соответствующую поправку. Другой источ­ ник ошибок предыдущих исследователей состоял в том, что они работали в очень узких диапазонах длин волн, ни один из которых не простирался за пределы нижней гра­ ницы, и поэтому вынуждены были устанавливать вид экс­ периментальной кривой по малому ее участку. Использо­ ванный Милликеном диапазон простирался до частот, почти в четыре раза превышавших нижнее пороговое значение. Третьим источником ошибок был коротковолновый свет, который достигал чувствительной поверхности при диффуз­ ном отражении в монохроматоре. В тех случаях, когда это было важно, проблема устранялась путем использова­ ния световых фильтров; однако обычно в таких фильтрах не было необходимости.

В критической области токи были очень малыми, поэто­ му они измерялись (как всегда в то время) с помощью квад­ рантного электрометра 11 путем определения заряда, пере­ несенного за фиксированный отрезок времени, который в данном случае составлял 30 с. Полученные результаты были представлены в виде графиков зависимости фототока от разности потенциалов для каждой из нескольких длин волн. Серия таких кривых приведена на фиг. 7.2. Точка пересечения каждой кривой с осью абсцисс дает величину V для соответствующей длины волны.

Можно заметить, ... что максимальная возможная ошибка в опреде­ лении положения точки пересечения составляет две сотых вольта и что вся область значении потенциалов, в которую попадают такие точки пересечения, составляет несколько больше 2,5 В. Таким образом, неточ­ ность положения каждой точки кривой зависимости разности потенциа­ лов от частоты не превышает 1% •Частоты, конечно, известны с высокой точностью.*

*> См. приложение А.

Фиг. 7.3. График зависимости максимальной энергии фотоэлектронов (измеренной по задерживающей разности потенциалов) от частоты па­ дающего света для натрия. Справа внизу показан в общих чертах по­ рядок расчета постоянной Планка по наклону прямой линии. Пунк­ тирная кривая обсуждается в тексте. [Phys. Rev., 7, 373 (1916),

Fig. 5; обозначения изменены для наглядности.]

излучения абсолютно черного тела. Более того, многие эксперименты, в которых применялись другие активные в фотоэлектрическом отношении поверхности, дали те же самые результаты в пределах экспериментальных ошибок.

Критические частоты определялись двумя способами; совпадение результатов обоих методов представляло бы хо­ рошую проверку пункта 4 из милликеновского списка. Следует напомнить, что экспериментальная аппаратура была сконструирована таким образом, что Милликен мог из­ мерять контактную разность потенциалов между фоточувствителыюй поверхностью и поверхностью, идентичной по­ верхности собирающего электрода. Действительная раз­ ность потенциалов между испускающим и собирающим элек­ тродами была равна приложенному напряжению минус величина контактной разности потенциалов Таким обра­ зом, кривую зависимости действительной разности потен­ циалов от частоты можно было получить из «необрабо-

См. примечание на стр. 95.

вверх на величину, равную контактной разности потенциа­ лов. Полученная таким способом кривая показана пункти­ ром на фиг. 7. 3. Точка пересечения этой кривой с осью частот и дает величину ѵ„.

Второй способ был основан на использовании другого свойства фототока. Если приложить разность потенциалов так, чтобы ускорять электроны в направлении к коллек­ тору, а не задерживать их, то при неизменных интенсивно­ сти II частоте падающего света ток через коллектор сначала будет возрастать с увеличением напряжения, а затем посте­ пенно достигнет предельной величины — тока насыщения. При фиксированной частоте ток насыщения прямо пропор­ ционален интенсивности падающего света. Таким образом, ток насыщения, приходящийся на единицу интенсивности падающего света, является некоторой функцией частоты света; точный вид этой функции зависит от свойств эмигри­ рующей поверхности, если не говорить о том, что для час­ тот, меньших критической, функция обращается в нуль. Поэтому процедура предусматривала измерение интенсив­ ности падающего света с помощью термостолбика 11 одно­ временно с соответствующим измерением фототока насыще­ ния для каждой из нескольких использовавшихся линий. Затем строился график зависимости фототока насыщения, приходящегося на единицу интенсивности света, от длины волны. Точка, в которой кривая пересекала ось длин волн, определяла критическую длину волны Х0, соответствующую частоте ѵ0 согласно соотношению Х0ѵ0=с.

Успех применения этого метода был в значительной мере делом случая, так как в то время ничего не было известно о возможном виде зависимости. Она могла оказаться сту­ пенчатой функцией, равной нулю при частотах меньше критической и некоторой постоянной величине, отличной от нуля, для частот выше критической или могла иметь такой крутой подъем, что точное определение критической частоты оказалось бы невозможным. К счастью, ни одно из этих предположений не подтвердилось.

11 Термостолбик представляет собой совокупность электрически соединенных термопар, имеющих общую зачерненную поверхность, поглощающую падающее на нее излучение.