Фотоэффект

Важным проявлением квантовых законов является фотоэффект.

Фотоэффект — это явление, при котором из металлической пластины, облучаемой свет с определённой энергией, вылетают электроны.

Физика этого процесса оказалось достаточно простой.

В металле всегда находятся свободные электроны, которые могут свободно перемещаться внутри металла. Когда на металл падает фотон с энергией \(E = \text{hv}\), эта энергия тратится на то, чтобы достать электрон из глубины металла, и чтобы передать ему некоторую кинетическую энергию.

image_description

Энергия, которая тратится на то, чтобы достать электрон из металла, называется работой выхода.

Работа выхода — это характеристика поверхности материала. Она не зависит от света, от его частоты или интенсивности.

Из закона сохранения энергия следует очень важной формулой, называемой формулой Эйнштейна для фотоэффекта. Эта формула имеет вид:

\(\text{hv} = A + E\), где:

h — постоянная Планка, равная \(6,6 \bullet 10^{- 34}\) [Дж·с]

v — частота света [Гц]

А — работа выхода [Дж]

Е — кинетическая энергия [Дж]

Как было сказано в начале, только фотоны с определённой энергией могут выбить электрон из металла. Дело в том, что сначала энергия тратится на совершение работы (на доставание электрона из металла) и только потом на его разгон (кинетическую энергию). Поэтому, существует какое-то предельное значение частоты света, при которой происходит фотоэффект. Это то значение частоты, при которой энергии фотона хватает только на то, чтобы вытащить электрон из металла (совершить работу выхода), при этом на кинетическую энергию энергии фотона уже не хватает.

Частота, при которой фотоэффект прекращается, называется красной границей фотоэффекта:

\(hv_{\begin{matrix} красная \\ граница \\ \end{matrix}} = А\), где:

h — постоянная Планка, равная \(6,6 \bullet 10^{- 34}\) [Дж·с]

\(v_{\begin{matrix} красная \\ граница \\ \end{matrix}}\) — частота света [Гц]

А — работа выхода [Дж]

Важно заметить, что может наступить ситуация, когда фотон не выбил электрон (если его частота меньше либо равна частоте красной границы). Но не может наступить ситуации, когда фотон выбивает 2 и более электронов. Даже самые энергичные фотоны могут выбивать только 1 электрон. Поэтому справедливо заметить, что N_{фотонов} ≥ N_{электронов}

График зависимости кинетической энергии вылетающих электронов от частоты падающих фотонов

Запирающее напряжение ― это напряжение, не позволяющее электронам покинуть фотокатод.

Если напряжение в цепи больше или равно запирающему напряжению, то электроны не могут достигнуть анода: даже если они покидают ненадолго фотокатод, сила электрического поля возвращает их в металл ― и фототока в цепи нет.

Запирающее напряжение определяется выражением \(eU_{зап} = Е_{кинетическая}\), где

e ― заряд электрона равный \(1,6 \bullet 10^{- 19}\) [Кл]

\(U_{зап\ }\)― запирающее напряжение [В]

\(Е_{кинетическая}\) ― кинетическая энергия фотоэлектрона [Дж]

Когда напряжение в цепи равно нулю \(U = 0\), а фотокатод облучается светом достаточной энергии, чтоб создавать фотоэффект, ― в сети есть ток, его вызывают выбиваемые светом электроны.

Когда напряжение в цепи равно запирающему напряжению \(U = U_{з}\) ― сила тока становится равной нулю, т. к. фототок прекращается.

Как видно из формулы, запирающее напряжение зависит только от кинетической энергии электронов, которая, в свою очередь, зависит от частоты света (но не интенсивности) и работы выхода.

Интенсивность светового потока — это количество фотонов, падающих на пластину в единицу времени.

Изменение интенсивности света не может повлиять на отдельные электроны (их скорость, энергию), зато может изменять количество выбитых электронов, или другими словами — фототок насыщения (фототок при условии, что каждый фотон выбивает электрон).

Чем выше интенсивность, тем выше значение фототока насыщения.
Чем ниже интенсивность, тем ниже значение фототока насыщения.

Однако, если частота света меньше либо равна частоте красной границы, фотоэффекта не произойдет независимо от интенсивности светового потока.

При необходимости найти энергию всего светопотока, достигающего пластины за 1 с, достаточно умножить энергию одного фотона на их количество: \(\sum E = hv \bullet N_{фотонов}\), где:

\(\sum E\) — энергия светопотока, достигшего пластину за 1 с [Дж]

h — постоянная Планка, равная 6,6 · 10^-34 [Дж · с]

v — частота света [Гц]

\(N_{фотонов}\) — количество фотонов, достигающих пластину за 1 с

Интернет-энциклопедия по школьным предметам от Maximum Education. Учебник поможет решить домашнее задание, подготовиться к контрольной и вспомнить прошлые темы.

Фотоэффект