Фотоэффект

Определение

Фотоэффект – это явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения (света), которое обусловлено передачей энергии фотонов электронам.

Формула

hν = Aвых + Eк

• h — постоянная Планка (универсальная физическая константа)
• ν — частота падающего света
• Aвых — работа выхода электрона (минимальная энергия, необходимая для вырывания электрона из металла)
• Eк — максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов

Единицы измерения: Джоуль (Дж)

Как работает фотоэффект

Когда свет падает на поверхность металла, он состоит из отдельных порций энергии – фотонов. Каждый фотон передаёт свою энергию электрону. Если энергии фотона хватает, чтобы преодолеть притяжение ядра атома (это называется работой выхода), электрон вылетает из металла. Избыток энергии фотона превращается в кинетическую энергию этого электрона. Важно, что для вылета электрона нужна не просто большая энергия света, а фотоны с достаточной частотой, так как энергия фотона прямо пропорциональна его частоте.

Законы фотоэффекта

Существует три основных закона. Первый: число электронов, выбиваемых светом, прямо пропорционально интенсивности света. Второй: максимальная кинетическая энергия вылетающих электронов зависит только от частоты света и не зависит от его интенсивности. Третий: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – минимальная частота света (или максимальная длина волны), ниже которой фотоэффект не происходит, независимо от интенсивности излучения. Это объясняется тем, что энергии фотона становится недостаточно для преодоления работы выхода.

Внешний и внутренний фотоэффект

Различают внешний и внутренний фотоэффект. При внешнем фотоэффекте электроны полностью покидают вещество и вылетают наружу (как описано выше). При внутреннем фотоэффекте электроны не покидают вещество, но под действием света переходят из связанного состояния в свободное внутри вещества (например, в полупроводнике). Это приводит к увеличению электропроводности материала. Внутренний фотоэффект используется в полупроводниковых фотоэлементах.

Как найти и применять

1. Определите известные величины: частоту света (ν), постоянную Планка (h), работу выхода (Aвых).
2. Используйте формулу Эйнштейна для фотоэффекта: hν = Aвых + Eк.
3. Если нужно найти кинетическую энергию электронов (Eк), выразите её из формулы: Eк = hν - Aвых.
4. Если нужно найти красную границу (νкр), учтите, что при этой частоте кинетическая энергия электронов равна нулю: hνкр = Aвых, откуда νкр = Aвых / h.
5. Подставьте значения и рассчитайте искомые величины, следя за единицами измерения.

Разбор задач

Задача 1

На металлическую пластинку падает свет с частотой 10^15 Гц. Работа выхода для этого металла составляет 2 эВ. Определите максимальную кинетическую энергию вылетающих электронов в джоулях. Постоянная Планка h = 6.63 * 10^-34 Дж·с, 1 эВ = 1.6 * 10^-19 Дж.

1. Переведём работу выхода из электрон-вольт в джоули: Aвых = 2 эВ * 1.6 * 10^-19 Дж/эВ = 3.2 * 10^-19 Дж. 2. Вычислим энергию падающего фотона: Eфотон = hν = 6.63 * 10^-34 Дж·с * 10^15 Гц = 6.63 * 10^-19 Дж. 3. Используем уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: Eк = Eфотон - Aвых. 4. Подставим значения: Eк = 6.63 * 10^-19 Дж - 3.2 * 10^-19 Дж = 3.43 * 10^-19 Дж.

Ответ: Максимальная кинетическая энергия электронов 3.43 * 10^-19 Дж.

Где это встречается

• Солнечные батареи (фотоэлементы) — В них используется внутренний фотоэффект: свет выбивает электроны внутри полупроводника, создавая электрический ток и преобразуя солнечную энергию в электрическую.
• Датчики освещённости — При изменении освещённости меняется количество выбитых электронов или проводимость полупроводника, что регистрируется как изменение электрического сигнала. Это используется в системах автоматического включения света.
• Фотоумножители — Это приборы для регистрации очень слабого света. Попадание фотона вызывает фотоэффект, выбитый электрон ускоряется и, ударяясь о следующую поверхность, выбивает несколько новых электронов, усиливая сигнал.
• Копировальные аппараты и лазерные принтеры — На фотобарабане используется фотоэффект, чтобы изменить его электрический заряд в освещённых местах, что позволяет притягивать тонер только к нужным областям.

Типичные ошибки

Не путать

• Давление света — Фотоэффект – это выбивание электронов светом, а давление света – это механическое воздействие света на поверхность, вызывающее силу. Фотоэффект связан с дискретной природой света (фотонами), давление света можно объяснить и волновой теорией.
• Тепловое излучение — Фотоэффект – это испускание электронов под действием света. Тепловое излучение – это испускание электромагнитных волн (света) нагретыми телами. Разные явления, хотя оба связаны с взаимодействием энергии и вещества.

Откуда взялось понятие

Явление фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем в 1887 году. Его теоретическое объяснение и уравнение были предложены Альбертом Эйнштейном в 1905 году, за что он получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году.

Как запомнить

Свет выбивает электроны, если он достаточно «энергичный» (имеет нужную частоту), а не просто «яркий».