Опыты по фотоэффекту
Фотоэффект — это явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием света. Опыты по фотоэффекту показали, что свет передаёт энергию отдельными порциями — фотонами, поэтому классическая волновая теория не могла объяснить все наблюдаемые закономерности.
Как наблюдают фотоэффект
Для изучения явления используют вакуумный фотоэлемент: внутри колбы находятся металлический катод и анод. На катод направляют свет, а между электродами создают электрическое поле. Если свет выбивает электроны, в цепи возникает фототок — направленное движение фотоэлектронов.
Фотоэффект — испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Электроны, покинувшие вещество, называют фотоэлектронами.
Экспериментальные закономерности
Основные результаты опытов систематизированы в законах фотоэффекта, которые полезно знать до изучения квантового объяснения.
- Фотоэффект начинается практически без запаздывания, если свет имеет достаточную частоту.
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света, но не зависит от его интенсивности.
- Число вырванных электронов, а значит и сила фототока насыщения, увеличивается с интенсивностью света.
- Для каждого вещества существует минимальная частота ν₀, ниже которой фотоэффект невозможен независимо от интенсивности света.
Минимальную частоту называют пороговой. Ей соответствует максимальная длина волны, при которой фотоэффект ещё возможен: это шек фотоэффекта. При частоте ниже пороговой энергия каждого фотона недостаточна для выхода электрона.
Как изменится максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, если увеличить интенсивность света, оставив частоту неизменной?
Квантовая теория фотоэффекта
Согласно гипотезе Планка и квантовой теории, свет испускается и поглощается отдельными порциями — квантами, или фотонами. Энергия одного фотона определяется частотой света.
При взаимодействии с металлом один фотон передаёт энергию одному электрону. Часть энергии расходуется на совершение работы выхода из металла, а остаток превращается в кинетическую энергию электрона. Это выражается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.
Энергия фотона равна сумме работы выхода электрона из вещества и его максимальной кинетической энергии: \(h\nu=A_\text{вых}+K_\text{max}\). Уравнение объясняет все основные закономерности фотоэффекта.
Работа выхода зависит только от материала катода. Для возникновения фотоэффекта энергия фотона должна быть не меньше работы выхода: \(h\nu\ge A_\text{вых}\). На границе возникновения фотоэффекта электрон покидает металл без кинетической энергии, поэтому \(h\nu_0=A_\text{вых}\).
Интенсивность света характеризует энергию, переносимую излучением за единицу времени и площади. При неизменной частоте увеличение интенсивности означает увеличение числа фотонов, падающих на катод за секунду. Поэтому увеличивается число выбитых электронов и фототок, но энергия каждого электрона не меняется.
Запирающее напряжение и энергия электронов
Чтобы остановить даже самые быстрые фотоэлектроны, между катодом и анодом создают тормозящее электрическое поле. Минимальное напряжение, при котором фототок становится равным нулю, называют запирающим напряжением \(U_\text{зап}\).
Здесь \(e\) — модуль заряда электрона. Совмещая формулы (2) и (4), получают удобную для расчётов форму уравнения Эйнштейна:
Частота определяет энергию одного фотона и максимальную энергию фотоэлектрона. Интенсивность определяет число фотонов и, следовательно, величину фототока.
Разобранный пример
На поверхность металла падает свет частотой \(\nu=1{,}0\cdot10^{15}\ \text{Гц}\). Работа выхода металла \(A_\text{вых}=2{,}0\ \text{эВ}\). Найдём запирающее напряжение. Используем \(h=4{,}14\cdot10^{-15}\ \text{эВ·с}\).
Жауабы: \(U_\text{зап}=2{,}14\ \text{В}\). Если все величины переводят в СИ, нужно использовать \(h=6{,}63\cdot10^{-34}\ \text{Дж·с}\), а работу выхода перевести из электрон-вольт в джоули.
Не путайте частоту и интенсивность: увеличение яркости света не повышает максимальную энергию электронов. Не забывайте работу выхода: энергия фотона не равна кинетической энергии электрона. В формулах с \(K_\text{max}=eU_\text{зап}\) используйте модуль заряда электрона. Фотоэффект возможен только при \(\nu\ge\nu_0\) немесе \(\lambda\le\lambda_\text{max}\).
Связь с другими квантовыми явлениями
Фотоэффект стал одним из главных экспериментальных подтверждений квантовой природы света. Идея фотона используется также при объяснении давления света, спектров атомов и переходов между уровнями энергии. В задачах важно отделять фотоэффект от фотовольтаического эффекта: в фотоэлементе электроны покидают освещаемую поверхность, а в фотоэлектрическом преобразователе свет создаёт разделение зарядов внутри вещества.
Быстрая проверка
Главное
- Фотоэффект — выбивание электронов светом; испущенные частицы называют фотоэлектронами.
- Энергия фотона равна \(E_\text{ф}=h\nu=hc/\lambda\).
- Уравнение Эйнштейна: \(h\nu=A_\text{вых}+K_\text{max}\).
- Частота определяет энергию электронов, а интенсивность — их число и фототок.
- Фотоэффект возможен при \(\nu\ge\nu_0\); запирающее напряжение связано с энергией формулой \(K_\text{max}=eU_\text{зап}\).