Фотоэффект. Опыты Столетова. Уравнение Эйнштейна.

Фотоэффе́кт — это испускание электронов вещества под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы фотоэффекта:

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл.

Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν₀ (или максимальная длина волны λ₀), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν < ν₀, то фотоэффект уже не происходит.

А. Г. Столетов использовал в своей установке металлический диск, который освещался через второй диск в виде сетки светом от электрической дуги. Металлическая пластина и сетка включались в цепь с гальваническим элементом и гальванометром. На сетку подавалось положительное напряжение, а на пластину – отрицательное. В этом случае в цепи возникал электрический ток.

Первые опыты по исследованию фотоэффекта А. Г. Столетов Начал 20 февраля 1888 г., исследования продолжались практически непрерывно до 21 июня 1889 г.

Для питания цепи достаточно небольшого напряжения нескольких гальванических элементов, иногда опыт проводился без источника тока. Для регистрации тока использовался чувствительный гальванометр с ценой деления 2,7×10–10 А. Размеры дисков и расстояние до них подбирались так, чтобы сплошной диск полностью освещался лампой и не было сильного нагрева диска.

Почему один электрод сетчатый? Потому что нужно было освещать внутреннее пространство между электродами. Позже Столетов собирал излучение с помощью кварцевой призмы и облучал только один электрод косо падающим ультрафиолетом. Первым же результатом экспериментов был тот факт, что фототок регистрируется, только если освещается отрицательно заряженный электрод, при освещении положительного электрода ток отсутствует. Столетов назвал это свойство наблюдаемого явления – нечувствительности положительных зарядов к световым лучам – униполярностью «актиноэлектрического действия».

Но установка не так проста, как кажется из рисунка. Например, источником света была дуговая угольная лампа – фонарь Дюбоска, свет излучался на стыке двух угольных электродов. Солнечный свет эффекта не вызывал.

Из лампы были удалены все стекла, так как Столетов установил, что фотоэффект вызывают только ультракоротковолновые лучи, которые поглощаются стеклом. Сейчас в ультрафиолетовых лампах применяется кварцевое стекло, не поглощающее ультрафиолет. Для того чтобы получить напряжение для питания такой лампы русскому физику Петрову, изобретателю угольной дуги, пришлось сконструировать батарею гальванических элементов длиной десятки метров. Источником тока в опытах служила электрофорная машина, подключенная к двигателю внутреннего сгорания. Скорее всего, это выглядело примерно так.

Не стоило и говорить о двигателе, но он работал неравномерно, соответственно так же светила лампа, и это осложняющее обстоятельство привело к созданию первого фотоэлемента – прибора, измеряющего интенсивность излучения. Он располагался между лампой и электродами. Первый фотоэлемент, работающий без приложенного напряжения, состоял из серебряного и цинкового электродов – гальванической пары металлов. Современные фотодиоды и солнечные батареи – правнуки фотоэлемента Столетова.

Еще одна особенность дуговой лампы – ее накал невозможно регулировать – заставило ученого применить прерывистое освещение диска с помощью картонного круга с окошками по секторам. Картонный круг приводился во вращение с различной скоростью – от одного до одиннадцати оборотов в секунду. Измерения силы тока при таком освещении показали прямую пропорциональную зависимость силы тока от световой энергии, падающей на металлический диск.

Уравнения Эйнштейна (иногда встречается название «уравнения Эйнштейна-Гильберта») — уравнения гравитационного поля вобщей теории относительности, связывающие между собой метрику искривлённого пространства-времени со свойствами заполняющей егоматерии. Термин используется и в единственном числе: «уравнение Эйнштейна», так как в тензорной записи это одно уравнение, хотя в компонентах представляет собой систему уравнений.

Выглядят уравнения следующим образом:

где R_ab — тензор Риччи, получающийся из тензора кривизны пространства-времени R_abcd посредством свёртки его по паре индексов, R —скалярная кривизна, то есть свёрнутый тензор Риччи, g_ab — метрический тензор, Λ — космологическая постоянная, а T_ab представляет собой тензор энергии-импульса материи, (π — число пи, c — скорость света в вакууме, G — гравитационная постоянная Ньютона).