Энергия которую необходимо затратить чтобы удалить электрон из металла

Обновлено: 19.05.2024

Выбивание светом электронов с поверхности токопроводящих материалов — явление, широко используемое сегодня в повседневной жизни. Например, некоторые системы сигнализации работают за счет передачи видимых или инфракрасных световых лучей на фотоэлектрический элемент, из которого выбиваются электроны, обеспечивающие электропроводность цепи, в которую он включен. Если на пути светового луча появляется препятствие, свет на датчик поступать перестает, поток электронов прекращается, цепь разрывается — и срабатывает электронная сигнализация.

Это явление, получившее название фотоэлектрического эффекта, или, кратко, фотоэффекта, было открыто в конце XIX столетия и сразу поставило целый ряд фундаментальных вопросов, поскольку ничего из того, что было известно ученым о строении металлов или природе света, фотоэффекта не объясняло. Нельзя сказать, что классическая теория запрещала бы свету выбивать электроны из металла. Электромагнитные волны, по идее, могли «вымывать» электроны из металла подобно тому, как морские волны выносят на поверхность и постепенно прибивают к берегу легкие пробковые крошки. Однако проблема состояла в том, что столь простым объяснением в случае фотоэффекта ограничиться было невозможно. Во-первых, электроны появлялись практически мгновенно после начала облучения. Во-вторых, фотоэффект, как оказалось, возникал даже под воздействием самых слабых световых лучей, причем по мере повышения интенсивности облучения энергия высвобождаемых электронов не изменялась. И то, и другое вступало в явное противоречие с классической картиной взаимодействия света с электронами.

Проблему в конце концов удалось решить в начале ХХ века Альберту Эйнштейну, причем сделанные им выводы дали мощный толчок развитию квантовой механики. Незадолго до этого Макс Планк показал, что излучение черного тела можно адекватно описать, приняв за допущение, что атомы излучают и поглощают свет фиксированными энергетическими порциями — квантами. Он полагал, что этот феномен каким-то образом обусловлен внутренним строением атомов, но отнюдь не природой света. Однако Эйнштейн воспринял идею Планка гораздо серьезнее и постулировал, что сам свет распространяется дискретными пучками энергии, которые он назвал фотонами. Иногда фотоны ведут себя подобно частицам, иногда — подобно волнам (см. Принцип дополнительности). В частности, при взаимодействии с электроном фотон может вести себя как частица, и буквально выбивать электрон из атома (это соударение фотона с атомом можно уподобить столкновению двух бильярдных шаров). Причем для выбивания электрона при таком соударении достаточно единственного фотона. Далее, повышение интенсивности света приводит к увеличению числа фотонов (и, следовательно, числа выбитых электронов), но не энергии отдельно взятого фотона. Следовательно, и энергия, и скорость отдельно взятого выбитого фотоэлектрона не зависят от интенсивности света — но только от его частоты.

Рассуждая таким образом, Эйнштейн вывел следующее простое уравнение для описание энергии фотоэлектронов:

E = hν — φ

где ν — частота падающего света, h — постоянная Планка, а φ — так называемая «работа выхода», то есть минимальная энергия, необходимая для того, чтобы выбить электрон из атома металла.

1234 19.03.2008 22:17 Ответить

\\\Выбивание светом электронов с поверхности токопроводящих материалов - явление, широко используемое сегодня в повседневной жизни. Например, некоторые системы сигнализации работают за счет передачи видимых или инфракрасных световых лучей на фотоэлектрический элемент, из которого выбиваются электроны, обеспечивающие электропроводность цепи, в которую он включен. Если на пути светового луча появляется препятствие, свет на датчик поступать перестает, поток электронов прекращается, цепь разрывается - и срабатывает электронная сигнализация.\\\

Шибко умный физик написал, - всплакнулось.

derevo 1234 14:58 Ответить

УДИВИТЕЛЬНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОТОЭФФЕКТА НАХОДЯТ СВОЕ ПОЛНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ В РАМКАХ КЛАССИЧЕСКОЙ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ (Статистической Оптики).

Наиболее интересным свойством фотоэффекта является тот факт, что энергия выбитых из фотокатода фотоэлектронов строго пропорциональна частоте падающего на фотокатод света и не зависит от интенсивности света.
Этот закон фотоэффекта был открыт Филиппом Ленардом в 1902 году экспериментальным путем и не нашел до последнего времени своего должного теоретического объяснения.
Особенно поразительно этот эффект проявляется в полупроводниковых детекторах излучений, амплитудное разрешение которых составляет единицы, а порой и доли процентов. На выходе таких детекторов получаются очень узкие амплитудные пики с высоким разрешением (на амплитудных анализаторах спектров).
Создается такое впечатление, как будто что-то вылетело из излучателя со строго определенной энергией и полностью передалось со всей своей энергией отдельному электрону атома фотоприемника. При этом данный эффект не зависит от расстояния между излучателем и приемником.
Как говорится, здесь есть от чего сойти с ума, что и сделали благополучно все корифеи физики ХХ века.
В результате всего этого были «изобретены» гипотетические фотоны, которые, якобы, и переносят эту энергию от излучателя к фотоприемнику.
При попытках объяснить фотоэффект, как правило, в ВУЗовских учебниках допускаются довольно грубые ошибки. Так, например, утверждается, что, якобы, согласно Классической физике при увеличении интенсивности падающего на фотокатод света должна увеличиваться энергия вылетающих фотоэлектронов, чего на самом деле не происходит.
Увеличивается лишь общее количество вылетающих фотоэлектронов, а распределение электронов по скоростям и энергиям остается прежним и не зависит от величины потока падающего на фотокатод света.
И, как результат подобных заблуждений, начинается выдумывание разных "квантовых диковинок" типа фотонов как некоторых сгустков энергии, которые, якобы, и бьют метко по электронам, выбивая их наружу. При первом же детальном анализе явления фотоэффекта подобные "истолкования" не выдерживают элементарной критики.
Сразу же следует сказать, что изобретатели "новых теорий", просто-напросто, не учитывают статистический характер света.
Из Статистической физики (со времен Молекулярной физики) хорошо известно, что функция распределения частиц по скоростям или энергиям не зависит от участвующих в процессе частиц. И чем больше частиц в этом процессе, тем с большой точностью выполняется данная закономерность.
Статистический характер световых полей обусловлен тем, что источники света обычно состоят из огромного числа хаотически расположенных в пространстве и не связанных между собой элементарных излучателей (атомы, молекулы), испускание света которыми имеет вероятностный характер. Поэтому рассмотрение данной задачи следует вести исключительно в рамках статистической физики и статистической оптики с использованием функций распределения электронов по скоростям или по энергиям.
Экспериментаторам, как правило, приходится иметь дело с веществами, которые состоят из огромного числа частиц (атомов или молекул), поэтому и статистические закономерности здесь выполняются с высокой точностью.
Рассмотрение этого сложного вопроса начинается с анализа энергетического распределения (функции распределения) фотоэлектронов, возникающих при облучении фотокатода светом определенного спектрального состава.

Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта в технике

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк выска­зал гипотезу: свет излучается и поглощается отдель­ными порциями — квантами (или фотонами). Энер­гия каждого фотона определяется формулой Е = hν, где h — постоянная Планка, равная 6,63 • 10 -34 Дж • с, ν — частота света. Гипотеза Планка объяснила мно­гие явления: в частности, явление фотоэффекта, от­крытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Гер­цем и изученного экспериментально русским ученым А. Г. Столетовым.

Фотоэффект — это явление испускания элек­тронов веществом под действием света.

В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта:

1. Сила тока насыщения прямо пропорцио­нальна интенсивности светового излучения, па­дающего на поверхность тела.

2. Максимальная кинетическая энергия фото­электронов линейно возрастает с частотой света и не за­висит от его интенсивности.

3. Если частота света меньше некоторой опре­деленной для данного вещества минимальной часто­ты, то фотоэффект не происходит.

Зависимость фототока от напряжения показа­на на рисунке 36.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объясне­ние: поглощая квант света, электрон приобретает энергию hv. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид: mv 2 /2 = hv — Авых, Это уравне­ние носит название уравнения Эйнштейна.

Если hν Авых то фотоэффект не происходит. Значит, красная граница фотоэффекта равна νmin = Авых/h

Приборы, в основе принципа действия кото­рых лежит явление фотоэффекта, называют фото­элементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фото­элемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в ки­но для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлемен­ты, в которых под действием света происходит изме­нение концентрации носителей тока.Они использу­ются при автоматическом управлении электрически­ми цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых ис­точников тока в часах, микрокалькуляторах, прохо­дят испытания первые солнечные автомобили, ис­пользуются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных ав­томатических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимиче­ские процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

Как мы можем использовать фотоэффект на практике?

Свет со­об­ща­ет элек­тро­ну энер­гию и вы­би­ва­ет его из ме­тал­ла (см. рис. 14).

Рис. 14. Выход элек­тро­на из ме­тал­ла

Что это нам дает? Элек­трон мы можем за­ре­ги­стри­ро­вать. Если есть сво­бод­ные элек­тро­ны, то можно со­здать элек­три­че­ское поле, ко­то­рое за­ста­вит их дви­гать­ся и со­здаст элек­три­че­ский ток (см. рис. 15).


Рис. 15. Воз­ник­но­ве­ние элек­три­че­ско­го тока

Что де­лать с ним даль­ше – за­да­ча элек­тро­ни­ки; мы можем ток из­ме­рить, пре­об­ра­зо­вать, пе­ре­дать на рас­сто­я­ние и т. д. Глав­ное, что энер­гия света пе­ре­да­лась элек­тро­ну, свет пре­об­ра­зо­вал­ся в элек­три­че­ство.

А это зна­чит, что можно сде­лать дат­чик света, ко­то­рый опре­де­лял бы его на­ли­чие по на­ли­чию фо­то­эф­фек­та, его ин­тен­сив­ность по ко­ли­че­ству фо­то­элек­тро­нов.

Такие устрой­ства – это фо­то­эле­мен­ты, в ко­то­рых све­то­вой поток управ­ля­ет элек­три­че­ским током или пре­об­ра­зу­ет­ся в элек­три­че­скую энер­гию. Фо­то­эле­мен­ты на­хо­дят мно­же­ство при­ме­не­ний в быту и в тех­ни­ке. На­при­мер, они счи­ты­ва­ют ин­фор­ма­цию, за­пи­сан­ную на зву­ко­вой до­рож­ке ки­но­плен­ки, об­на­ру­жи­ва­ют про­ход без­би­лет­ни­ка в метро (при пе­ре­се­че­нии неви­ди­мо­го луча пре­кра­ща­ет­ся ток в фо­то­эле­мен­те (см. рис. 16)), за­ме­ча­ют за­дым­ле­ние в по­ме­ще­нии и т. п.


Рис. 16. Прин­цип тур­ни­ке­тов в метро

Мы рас­смот­ре­ли один слу­чай – что про­ис­хо­дит при пе­ре­да­че элек­тро­ну энер­гии фо­то­на – элек­трон по­ки­да­ет ве­ще­ство. Но в общем слу­чае он может по­ки­нуть атом ве­ще­ства и стать сво­бод­ным но­си­те­лем за­ря­да внут­ри ве­ще­ства (это яв­ле­ние на­зы­ва­ет­ся внут­рен­ним фо­то­эф­фек­том) (см. рис. 17).


Рис. 17. Внут­рен­ний фо­то­эф­фект

Из­лу­че­ние можно ис­поль­зо­вать как ин­фор­ма­ци­он­ный сиг­нал. К при­ме­ру, пульт ди­стан­ци­он­но­го управ­ле­ния те­ле­ви­зо­ром по­сы­ла­ет управ­ля­ю­щие сиг­на­лы в виде ин­фра­крас­но­го (неви­ди­мо­го для наших глаз) из­лу­че­ния (см. рис. 18), ко­то­рое вос­при­ни­ма­ет­ся фо­то­эле­мен­том на пе­ред­ней па­не­ли те­ле­ви­зо­ра.


Рис. 18. Ин­фра­крас­ное из­лу­че­ние

Неви­ди­мые элек­тро­маг­нит­ные сиг­на­лы пуль­та ведут себя так же, как ви­ди­мый свет. Вы мо­же­те убе­дить­ся в этом, по­пы­тав­шись пе­ре­клю­чать ка­на­лы, на­прав­ляя пульт не на те­ле­ви­зор, а на его изоб­ра­же­ние в зер­ка­ле.

Элек­трон по­ки­да­ет атом, ста­но­вит­ся сво­бод­ным, и в цепи на­чи­на­ет течь фо­то­ток. Он и осу­ществ­ля­ет нуж­ные пе­ре­клю­че­ния в элек­три­че­ской цепи те­ле­ви­зо­ра.

При по­гло­ще­нии энер­гии света элек­тро­на­ми может воз­ник­нуть ЭДС, что ис­поль­зу­ет­ся в сол­неч­ных ба­та­ре­ях, а это еще одно очень пер­спек­тив­ное при­ме­не­ние фо­то­эф­фек­та.

Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта в технике

1. Гипотеза Планка. 2. Определение фотоэффекта. 3. Законы фотоэффекта. 4. Уравнение Эйнштейна. 5. Применение фотоэффекта. 6. Распространенные ошибки.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой — постоянная Планка, равная — частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого и 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспириментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым.

Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света. Если зарядить цинковую пластину, присоединенную к электрометру, отрицательно и освещать ее электрической дутой (рис. 35), то электрометр быстро разрядится.

В результате исследований были установлены следующие эмпирические закономерности:

— количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны;

— максимальная кинетическая энергия фото электронов линейно возрастает с частотой света и н зависит от его интенсивности.

Кроме того, были установлены два фундаментальных свойства.

Во-первых, безынерционность фотоэффекта: процесс начинается сразу в момент начала освещения.

Во-вторых, наличие характерной для каждого металла минимальной частоты красной границы фотоэффекта. Эта частота такова, что при , то фотоэффект начинается даже при малой энергии.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергии работой выхода ( . Следовательно,

Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы, и которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

Энергия которую необходимо затратить чтобы удалить электрон из металла

Кроме того, были установлены два фундаменталь ных свойства.

Во-вторых, наличие характерной для каждого металла минимальной частоты — красной границы фотоэффекта. Эта частота такова, что при фотоэффект не происходит при любой энергии света а если " />
, то фотоэффект начинается даже при малой энергии.

Читайте также: