Баллистическая


Обратный фотоэффект, фотоионизация и солнечные батареи



жүктеу 8.2 Mb.
бет68/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   64   65   66   67   68   69   70   71   ...   99

Обратный фотоэффект, фотоионизация и солнечные батареи

Широко используется в практических целях так называемый внутренний фотоэффект, при котором, в отличие от внешнего, оптически возбуждённые электроны остаются внутри освещённого тела, не нарушая нейтральности последнего… Происходит пространственное разделение внутри объёма проводника оптически возбуждённых электронов и микрозон (дырок), возникающих в непосредственной близости от атомов, от которых оторвались электроны… Таким образом достигается прямое преобразование световой энергии в электрическую.



Г.С. Ландсберг, "Оптика" [74]
Последняя разновидность фотоэффекта – обратный фотоэффект: генерация металлом излучения при обстреле его поверхности электронами (§ 4.1.). Электрон при захвате атомом начинает излучать на частоте своего вращения (Рис. 156). Ещё раз отметим, что захват и выброс электрона атомом происходит без изменения энергии (без затрат и выделения энергии ионизации), поскольку захват производит магнитное поле атома. Что касается потенциального электрического поля атомного ядра, то оно в принципе не способно захватить электрон. Поэтому в фотоэффекте электроны лишь малую долю энергии получают от света, основная же часть энергии у них есть изначально. Поэтому не исключено, что однажды опыт покажет: энергия электронов, покинувших металл, порой превосходит энергию выбившего их света. Энергия света идёт лишь на изменение орбиты электрона и отрыв его от атома при сходе с устойчивой орбиты. В фотоэлементах (солнечных батареях) эта энергия освобождения электронов и преобразуется в электрическую. В случае, если б энергия света шла ещё и на придание скорости электронам, по сути, на нагрев полупроводника, КПД солнечных батарей было бы существенно меньше известного. Реально энергия света напрямую, с минимальными потерями, преобразуется в электрическую.

Рис. 156. Прямой (а) и обратный (б) фотоэффекты: выброс электрона атомом под действием света (а) и генерация атомом рентгеновского излучения при захвате электрона

Вполне возможно, что правильное понимание механизма фотоэффекта позволит ещё сильней повысить КПД солнечных батарей, найти более дешёвые и эффективные полупроводниковые материалы, преобразующие свет в электроэнергию. Пока же поиск таких материалов вёлся вслепую. И лишь на базе классического подхода этот поиск станет, наконец, целенаправленным и эффективным. Стоит отметить, что в диэлектриках и полупроводниках, в отличие от металла, свету, возможно, всё же приходится совершать некоторую работу по ионизации атомов, поскольку производится отрыв уже не только внешних, но порой и внутренних электронов в атоме. Вероятнее всего в таких случаях свет не сам выбивает эти внутренние электроны, а через посредство внешних. Сначала свет воздействует на внешние, крутящиеся возле атома электроны, вызывая их срыв с орбиты с энергией E=hf (§ 4.3.). Эти внешние электроны ударяют в другие атомы и при достаточной энергии E равной энергии ионизации Eи выбивают из атомов внутренние электроны, производя ионизацию. В этом, видно, и состоит причина того, что атом может быть ионизован лишь светом частоты f=Eи/h или большей. Поэтому фотоэлементы и солнечные батареи необходимо конструировать на основе веществ, имеющих возможно меньшую энергию отрыва электрона от атомов.

Аналогично протекает фотоионизация в газах: внешние электроны атомов, сорвавшись с орбиты под действием света частоты f=Eи/h, без потерь своей энергии E=Eи ударяют в другие нейтральные атомы и выбивают из них внутренние электроны, которым уже приходятся преодолевать притяжение ядра, затрачивая на это сообщённую энергию Eи. Известна и многофотонная ионизация, когда ионизацию способен производить свет меньшей частоты f=Eи/nh, где n - целое число [74]. Однако объясняется этот феномен, подобно нелинейному фотоэффекту, не поглощением многих фотонов, а генерацией средой за счёт нелинейных эффектов кратных частот 2f, 3f и т.д. (§ 4.5.). Интенсивное излучение частоты f, проходя через среду, обогащает свой спектр за счёт генерации новых гармоник атомами газа. Это вторичное излучение кратных частот f'=Eи/h и выбивает электроны из атомов. Впрочем, возможно и вырывание электрона из атома под действием ударов сразу нескольких фотоэлектронов с энергией меньшей энергии ионизации.

Итак, опыт убеждает, что все так называемые квантовые закономерности, выявленные в явлениях фотоэффекта и фотоионизации, обусловлены отнюдь не свойствам света, но свойствам атомов, вещества. Так, селективный фотоэффект свидетельствует, что процессы излучения и поглощения веществом света имеют резонансный, колебательный, волновой характер, а не квантовый. Лишь классическая модель фотоэффекта, которую отстаивал и отец фотоэффекта А. Столетов, способна помочь адекватному и простому пониманию всех закономерностей фотоэффекта.

    1. Эффект Комптона

Явление изменения длины волны при рассеянии света можно было бы объяснить с волновой точки зрения при помощи явления Доплера: электроны, рассеивающие рентгеновские лучи, под действием их выбрасываются из атомов по различным направлениям с разными скоростями. Таким образом, рассеянное излучение должно иметь изменённую длину волны в зависимости от скорости и направления движения рассеивающих электронов. Вычислив, как должны были бы двигаться рассеивающие электроны, нетрудно получить классическую картину явления Комптона.



Г.С. Ландсберг, "Оптика" [74]
Не составит большого труда объяснить с классических позиций и другое "квантовое" явление – эффект Комптона, который считают неопровержимым доказательством фотонной теории. Суть его в том, что рентгеновские лучи претерпевают на электронах так называемое комптоновское рассеяние (Рис. 157). Причём, в отличие от обычного рассеяния, длины волн падающего λ0 и рассеянного λ' излучения не совпадают, а их разница жёстко связана с углом рассеяния θ соотношением λ'–λ0= 2λкsin2(θ/2), где λк – комптоновская длина, для электрона равная h/mc= 2,4·10–12 м [134]. Кроме того, как показали опыты, электрон в процессе рассеяния испытывает отдачу, приобретая скорость, направленную под таким углом φ к падающему лучу, что tgφ= ctg(θ/2)/(1+λк0). Всё выглядит так, словно не волна рассеивается на электроне, а с ним упруго сталкивается частица, фотон, передающий электрону часть своего импульса и энергии. К тому же, как утверждают многие учебники, классическое взаимодействие волны с электронами вещества, не могло бы породить рассеянного излучения на смещённой частоте. Ведь свободный электрон по теории Дж. Томсона должен колебаться под действием электромагнитной волны с частотой поля этой волны, а значит и излучение испускать на той же частоте и той же длине волны λ0 [82]. А между тем рассеянное излучение в эффекте Комптона кроме несмещённой компоненты спектра λ0 содержит сдвинутую, с длиной волны λ'.

Рис. 157. Эффект Комптона.

Кроме того, как в фотоэффекте, в комптоновском скорость и энергия электрона часто превосходят те, которые ему могла бы сообщить волна в момент облучения [134]. Что опять же трактуют как соударение с электронами световой волны, собранной в порции, кванты. Но в действительности, похоже, и здесь луч не отдаёт электронам энергию, а лишь высвобождает электроны, изначально обладавшие скоростью в атомах. Поэтому никто ещё не смог наблюдать комптоновское рассеяние на свободных электронах. Учёные признают, что его дают только электроны атомов, но полагают, что атом, испустивший электрон, – это лишь досадная помеха и электроны в нём можно рассматривать как свободные. На самом же деле без участия атомов комптон-эффект был бы вовсе невозможен, его никто и никогда не сможет наблюдать у свободных электронов. Так, в случае обратного комптон-эффекта, когда уже действительно свободно летящий электрон не поглощает, а, напротив, отдаёт энергию свету, имеет место лишь классическое рассеяние [151, с. 312]. Далее покажем, что и прямое комптоновское рассеяние имеет чисто классические причины.

Собственно говоря, некоторые учёные даже проговорились, что такое объяснение существовало, но было основательно забыто. Так, Г.С. Ландсберг пишет, вопреки часто приводимому в учебниках утверждению, по которому классическая теория не способна объяснить рассеяния на новой частоте, что реально и классика предсказывает смещённые компоненты излучения. Ведь если учесть, что электроны, вылетающие из атомов под действием внутреннего фотоэффекта, обладают большими скоростями, то рассеянное ими излучение по эффекту Доплера обязано иметь иную длину волны [74]. Эта длина волны λ', так же как в комптон-эффекте, должна зависеть от длины волны λ0 падающего излучения, от угла вылета электрона и направления рассеянного излучения. Так возникает классическая картина эффекта Комптона. Ландсберг не раскрывает подробностей этого описания и того, кто его автор. Поэтому попробуем реконструировать эту забытую трактовку, отреставрировав классическую картину.

Пусть электромагнитная волна частоты f0, падая на атом, "вырывает" из него электрон, имеющий, как показывает фотоэффект (§ 4.3.), энергию mV2/2= hf0. Угол φ вылета электрона может оказаться любым. Падающая волна заставит этот свободно летящий со скоростью V электрон колебаться, но в силу эффекта Доплера с частотой f=f0(1+Vcosφ/c) отличной от f0 (Рис. 158). Вибрирующий электрон излучает вторичные волны, частота прихода f' которых в некотором направлении θ отлична от частоты их испускания f. Из эффекта Доплера f'=f(1+Vcos(φ+θ)/c)= f0(1+Vcosφ/c)(1+Vcos(φ+θ)/c). Кроме того, падающая волна заставит колебаться и излучать с частотой f0 электроны, оставшиеся в атоме. Эти две волны от атома и свободного электрона интерферируют, но правильно сложиться не могут, поскольку их частоты f0 и f' не совпадают. Во всех направлениях эти две волны сложатся беспорядочно, создав "белый шум" – излучение без определённой длины волны. И лишь в направлении θ, для которого f0= f'= f0(1+Vcosφ/c)(1+Vcos(φ+θ)/c), волны интерферируют, откуда cosφ= –cos(φ+θ), и φ=90°-θ/2.

Рис. 158. Механизм комптон-эффекта: излучение f0, "вырывая" электрон из атома, рассеивается им с частотой f'.

Подставляя значение φ, найдём, что лучи, идущие в направлении θ, имеют частоту f'= f0(1–Vsin(θ/2)/c)(1+Vsin(θ/2)/c)=f0(1–sin2(θ/2)V2/c2) и длину волны λ'= с/f'= λ0+ λ0sin2(θ/2)V2/c2. Учтя же, что для излучения, выбившего электрон, λ0=c/f0=2hc/mV2, найдём λ'= λ0+ sin2(θ/2)2h/mc. То есть пришли к проверенной опытом формуле λ'–λ0= 2λкsin2(θ/2), где λк= h/mc. Также приходим к правильному соотношению углов рассеяния и отдачи, ибо если φ =90°- θ/2, то tgφ = ctg(θ/2). Это довольно точно совпадает с опытно проверенной зависимостью tgφ = ctg(θ/2)/(1+λк0), поскольку λк= 2,4·10–12 м обычно много меньше длины волны λ0 рентгеновского излучения, диапазон которого простирается от 10–7 до 10–12 метра. Лишь для самых жёстких рентгеновских лучей величина (1+λк0) будет заметно отличаться от единицы. Но тогда надо соответственно уточнить и наш приближённый расчёт, ибо при сопоставимости λк= h/mc и λ0=2ch/mV2 скорость V электрона становится сравнимой со скоростью света c.

Отметим ещё одно отличие квантовой и классической теории комптон-эффекта. В квантовой теории свет (фотон) излучается лишь в плоскости, образуемой лучом света с линией движения электрона. А в классической рассеянный свет излучается во всех направлениях вдоль образующих конуса, ориентированных под углом φ+θ к линии движения электрона (оси конуса), поскольку для всех этих направлений выполнено условие интерференции лучей. Однако наиболее интенсивное излучение испускается всё же под углом θ к исходному лучу. Дело в том, что электроны, вылетающие под углом φ к оси луча и создающие излучение соответствующей длины волны λ'=λ0+ sin2(θ/2)2h/mc, могут лететь не только вверх, но и вбок, и вниз, вдоль образующих конуса с углом φ. Все эти электроны формируют свои конусы излучения, которые, складываясь, дают усреднённую картину. Касательная поверхность к этим конусам даёт каустическую поверхность, вдоль которой излучение наиболее интенсивно. Эта поверхность имеет форму конуса с углом при вершине θ и осью, совпадающей с исходным лучом. Таким образом, хотя рассеяние происходит во всех направлениях, наиболее интенсивное излучение света длины волны λ'=λ0+ sin2(θ/2)2h/mc идёт под углом θ, где θ=180°-2φ. Именно это обнаружилось в опыте. Причём комптоновское излучение λ' действительно исходит не строго в одном направлении, а во многих, просто с разной интенсивностью. Поэтому на спектрограммах для данного угла θ видно излучение не только на λ'=λ0+ sin2(θ/2)2h/mc, но и на соседних длинах волн [134], чего квантовая теория объяснить не может.

Чтобы проверить, какая из теорий эффекта Комптона (квантовая или классическая) справедлива, достаточно исследовать эффект Комптона на свободных электронах, скажем летящих в вакуумных лампах или в электронно-лучевых трубках. Если эффект Комптона при этом будет наблюдаться, то справедлива квантовая теория явления. Если же он не обнаружится, то квантовая теория ошибочна и справедлива классическая теория, по которой лишь электроны, вылетающие из атомов, способны создавать комптон-эффект. Различить, рассевается ли свет свободными электронами или остаточными атомами в колбе, можно по известной скорости электронов в лучевых трубках. Эта скорость внесёт известный доплеровский сдвиг в положения спектральных линий комптоновского излучения.

Было проведено много экспериментов по измерению энергий электронов в эффекте Комптона, углов испускания излучения, проверки синхронности испускания излучения и электронов [82, 134]. Все они подтвердили справедливость квантовой картины эффекта Комптона. Однако та же картина, как показано выше, должна возникать и в классическом случае, только объяснение будет совсем иным. То есть эксперименты никоим образом не подтверждают квантовой трактовки комптон-эффекта, а зачастую и противоречат ей, подтверждая скорее классическую картину явления.

Выходит, фотоэффект и эффект Комптона – эти два главных свидетельства в пользу фотонной теории и корпускулярно-волнового дуализма оказались ничтожны: световую волну ни к чему считать фотоном, частицей. Не существует опытов, для истолкования которых нужны частицы света. Введение фотонов в то время как все свойства света легко объяснить классическими волнами, – это то самое преумножение сущностей, против которого предостерегал Оккам. Два фундаментальных эффекта - фотоэффект и эффект Комптона, - на которых держалось всё здание квантовой физики, как оказалось, вполне можно интерпретировать в рамках классической физики, причём столь удачно, что удалось объяснить ряд особенностей, проблемных для квантовой физики. В итоге фотоны и кванты света оказываются не просто избыточными, ненужными, но и вредными для адекватного понимания сути явлений. Ведь неклассические, дуалистические объяснения нематериалистичны. Стоит отметить в связи с этим, что по своим взглядам А. Комптон как раз и был идеалистом, пытавшимся в рамках физики развивать нематериалистические идеи релятивизма [29, с. 20], означающего отсутствие объективной реальности и относительности понятия частица и волна.

Мы многое знаем о Комптоне, но, к несчастью, ничего не можем сказать о том Неизвестном Учёном, который, как следует из "Оптики" Ландсберга, предложил классическую трактовку комптон-эффекта. В этом плане учебник Ландсберга вообще весьма примечателен и заслуживает пристального внимания. Сознательно или случайно в него были внесены многие верные идеи, или упоминания о них, пусть и в критическом ключе. Это и изложение сути БТР, и упоминание о классических моделях атома Ритца и ажурной модели атома Ленарда (предтечи ядерной модели Резерфорда), и интересные замечания о нелинейном, селективном фотоэффекте, наконец, классическая трактовка эффекта Комптона. Будучи тесно связан с оптическими проблемами, Г.С. Ландсберг, по-видимому, имел доступ к закрытым источникам информации, располагал и интересовался многими сокрытыми данными об идеях и личностях, забытых в неклассической горячке. Но и целой книги не хватит, чтобы всех их перечислить, рассказать об их жизни и заслугах. Сколько было таких безвестных учёных-героев, осмелившихся, вопреки общему мнению и хору глупцов-подпевал неклассической физики, усомниться в кванторелятивистской картине мира и выдвинуть свои альтернативные идеи? Сколько этих великих, порой бесценных идей погибло по вине чьих-то амбиций, злой воли, корысти? Сколько таких безвестных учёных было замучено в застенках институтов травлей своры академиков, террором научной мафии, запретами на публикации в журналах? Сколько их, ищущих и бескорыстно служащих истине, безвестно умерло, не успев донести до нас свои светлые мысли? Но не их имена произносят с уважением, а имена их мучителей и попирателей истины. И не стоит ли, раз существует Могила Неизвестного Солдата, почтить память Неизвестного Учёного, Борца за истину и свободу мысли, таким же памятником? Наконец, все усилия следует приложить и к тому, чтобы восстановить, реконструировать имена и идеи этих учёных, бескорыстных искателей истины. Они достойны памяти и уважения не меньше, чем герои войны.





    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   64   65   66   67   68   69   70   71   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет