Фотоэффект

Введение

Фотоэффект — это явление, при котором электроны вещества могут выбиваться из атомов под действием света. Это явление было открыто в конце XIX века и стало одним из первых доказательств того, что свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными свойствами. В данной статье мы рассмотрим основные понятия и законы фотоэффекта, а также его применение в науке и технике.

Основные понятия

Для понимания фотоэффекта необходимо знать следующие основные понятия:

• Фотон — элементарная частица света, которая имеет энергию E = hν, где h — постоянная Планка, ν — частота света. Фотон может взаимодействовать с веществом, передавая свою энергию электронам.
• Работа выхода Aвых — минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону для его вылета из вещества. Работа выхода зависит от материала и состояния поверхности.
• Красная граница фотоэффекта λкр — минимальная длина волны света, при которой возможен фотоэффект. Красная граница определяется работой выхода: λкр = hc/Aвых, где c — скорость света.

Законы фотоэффекта

На основе экспериментальных данных были сформулированы следующие законы фотоэффекта:

1. Закон Столетова: сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего света. Это означает, что чем больше интенсивность света, тем больше электронов выбивается из вещества за единицу времени.
2. Первый закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Это говорит о том, что фотоэлектроны получают свою энергию непосредственно от фотонов, а не от падающего излучения в целом.
3. Второй закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света, ниже которой фотоэффект невозможен.
4. Третий закон фотоэффекта: фотоэффект практически безынерционен, т.е. он происходит мгновенно после поглощения света веществом.

Эти законы были подтверждены экспериментально и стали основой для развития теории фотоэффекта.

Теория фотоэффекта

Теория фотоэффекта была разработана Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он предположил, что энергия фотона hν полностью передаётся одному электрону вещества, который затем вылетает из атома. Если энергия фотона меньше работы выхода, то фотоэффект не происходит. Если же энергия фотона больше работы выхода, то электрон получает кинетическую энергию mv²/2, где m — масса электрона, v — его скорость. Таким образом, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта имеет вид: hν = Aвых + mv²/2.

Это уравнение объясняет все основные законы фотоэффекта и позволяет рассчитать кинетическую энергию фотоэлектронов. Оно также показывает, что фотоэффект является квантовым явлением, так как энергия фотона передаётся электрону целиком, без дробления на части.

Применение фотоэффекта

Фотоэффект находит широкое применение в различных областях науки и техники. Вот некоторые примеры:

• Фотоэлементы — устройства, преобразующие световую энергию в электрическую. Они используются в солнечных батареях, датчиках света, счётчиках фотонов и других приборах.
• Фотоэффект используется для изучения свойств материалов, таких как работа выхода, красная граница, спектральная чувствительность и др.
• С помощью фотоэффекта можно создавать изображения, например, в фотокопировальных машинах или в цифровых камерах.

Таким образом, фотоэффект — это важное физическое явление, которое имеет большое значение для науки и техники.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое фотоэффект?
2. Какие основные понятия связаны с фотоэффектом?
3. Какие законы фотоэффекта были открыты Столетовым?
4. Как теория фотоэффекта объясняет эти законы?
5. Какое применение имеет фотоэффект в науке и технике?

Примеры задач

Задача 1. Определите работу выхода электрона из металла, если красная граница фотоэффекта равна 600 нм.Решение: По формуле красной границы фотоэффекта λкр = hc/Aвых находим работу выхода: Aвых = hc/λкр ≈ 2 эВ. Ответ: 2 эВ.

Задача 2. Найдите максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, вылетевших из калия под действием света с длиной волны 400 нм, если работа выхода равна 2,2 эВ.Решение: Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта hν = Aвых + mv². Для калия h = 6,63·10⁻³₄ Дж·с, m = 9,1·10⁻³¹ кг. Тогда mv² = hν - Aвых ≈ 3,7 эВ. Кинетическая энергия равна mv²/2 ≈ 1,85 эВ. Ответ: ≈ 1,85 эВ.