При фотоэффекте максимальная начальная скорость выбитых излучением с поверхности металла электронов
Обновлено: 15.05.2024
Фотоэффект — это выбивание электронов из вещества падающим светом. Явление фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем в 1887 году в ходе его знаменитых экспериментов по излучению электромагнитных волн.
Напомним, что Герц использовал специальный разрядник (вибратор Герца) — разрезанный пополам стержень с парой металлических шариков на концах разреза. На стержень подавалось высокое напряжение, и в промежутке между шариками проскакивала искра. Так вот, Герц обнаружил, что при облучении отрицательно заряженного шарика ультрафиолетовым светом проскакивание искры облегчалось.
Герц, однако, был поглощён исследованием электромагнитных волн и не принял данный факт во внимание. Год спустя фотоэффект был независимо открыт русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Тщательные экспериментальные исследования, проведённые Столетовым в течение двух лет, позволили сформулировать основные законы фотоэффекта.
Опыты Столетова
В своих знаменитых экспериментах Столетов использовал фотоэлемент собственной конструкции (Фотоэлементом называется любое устройство, позволяющее наблюдать фотоэффект). Его схема изображена на рис. 1 .
Рис. 1. Фотоэлемент Столетова
В стеклянную колбу, из которой выкачан воздух (чтобы не мешать лететь электронам), введены два электрода: цинковый катод и анод . На катод и анод подаётся напряжение, величину которого можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром .
Сейчас на катод подан «минус», а на анод — «плюс», но можно сделать и наоборот (и эта перемена знака — существенная часть опытов Столетова). Напряжению на электродах приписывается тот знак, который подан на анод (Поэтому поданное на электроды напряжение часто называют анодным напряжением). В данном случае, например, напряжение положительно.
Катод освещается ультрафиолетовыми лучами УФ через специальное кварцевое окошко, сделанное в колбе (стекло поглощает ультрафиолет, а кварц пропускает). Ультрафиолетовое излучение выбивает с катода электроны , которые разгоняются напряжением и летят на анод. Включённый в цепь миллиамперметр регистрирует электрический ток. Этот ток называется фототоком, а выбитые электроны, его создающие, называются фотоэлектронами.
В опытах Столетова можно независимо варьировать три величины: анодное напряжение, интенсивность света и его частоту.
Зависимость фототока от напряжения
Меняя величину и знак анодного напряжения, можно проследить, как меняется фототок. График этой зависимости, называемый характеристикой фотоэлемента, представлен на рис. 2 .
Рис. 2. Характеристика фотоэлемента
Давайте обсудим ход полученной кривой. Прежде всего заметим, что электроны вылетают из катода с различными скоростями и в разных направлениях; максимальную скорость, которую имеют фотоэлектроны в условиях опыта, обозначим .
Если напряжение отрицательно и велико по модулю, то фототок отсутствует. Это легко понять: электрическое поле, действующее на электроны со стороны катода и анода, является тормозящим (на катоде «плюс», на аноде «минус») и обладает столь большой величиной, что электроны не в состоянии долететь до анода. Начального запаса кинетической энергии не хватает — электроны теряют свою скорость на подступах к аноду и разворачиваются обратно на катод. Максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов оказывается меньше, чем модуль работы поля при перемещении электрона с катода на анод:
Здесь кг — масса электрона, Кл — его заряд.
Будем постепенно увеличивать напряжение, т.е. двигаться слева направо вдоль оси из далёких отрицательных значений.
Поначалу тока по-прежнему нет, но точка разворота электронов становится всё ближе к аноду. Наконец, при достижении напряжения , которое называется задерживающим напряжением, электроны разворачиваются назад в момент достижения анода (иначе говоря, электроны прибывают на анод с нулевой скоростью). Имеем:
Таким образом, величина задерживающего напряжения позволяет определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.
При небольшом превышении задерживающего напряжения появляется слабый фототок. Его формируют электроны, вылетевшие с максимальной кинетической энергией почти точно вдоль оси колбы (т.е. почти перпендикулярно катоду): теперь электронам хватает этой энергии, чтобы добраться до анода с ненулевой скоростью и замкнуть цепь. Остальные электроны, которые имеют меньшие скорости или полетели в сторону от анода, на анод не попадают.
При повышении напряжения фототок увеличивается. Анода достигает большее количество электронов, вылетающих из катода под всё большими углами к оси колбы. Обратите внимание, что фототок присутствует при нулевом напряжении!
Когда напряжение выходит в область положительных значений, фототок продолжает возрастать. Оно и понятно: электрическое поле теперь разгоняет электроны, поэтому всё большее их число получают шанс оказаться на аноде. Однако достигают анода пока ещё не все фотоэлектроны. Например, электрон, вылетевший с максимальной скоростью перпендикулярно оси колбы (т.е. вдоль катода), хоть и развернётся полем в нужном направлении, но не настолько сильно, чтобы попасть на анод.
Наконец, при достаточно больших положительных значениях напряжения ток достигает своей предельной величины , называемой током насыщения, и дальше возрастать перестаёт.
Почему? Дело в том, что напряжение, ускоряющее электроны, становится настолько велико, что анод захватывает вообще все электроны, выбитые из катода — в каком бы направлении и с какими бы скоростями они не начинали движение. Стало быть, дальнейших возможностей увеличиваться у фототока попросту нет — ресурс, так сказать, исчерпан.
Законы фотоэффекта
Величина тока насыщения — это, по существу, количество электронов, выбиваемых из катода за одну секунду. Будем менять интенсивность света, не трогая частоту. Опыт показывает, что ток насыщения меняется пропорционально интенсивности света.
Первый закон фотоэффекта. Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте).
Ничего неожиданного в этом нет: чем больше энергии несёт излучение, тем ощутимее наблюдаемый результат. Загадки начинаются дальше.
А именно, будем изучать зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты и интенсивности падающего света. Сделать это несложно: ведь в силу формулы (1) нахождение максимальной кинетической энергии выбитых электронов фактически сводится к измерению задерживающего напряжения.
Сначала меняем частоту излучения при фиксированной интенсивности. Получается такой график (рис. 3 ):
Рис. 3. Зависимость энергии фотоэлектронов от частоты света
Как видим, существует некоторая частота , называемая красной границей фотоэффекта, разделяющая две принципиально разные области графика. Если , то фотоэффекта нет.
Если же \nu_0' alt='\nu > \nu_0' /> , то максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растёт с частотой.
Теперь, наоборот, фиксируем частоту и меняем интенсивность света. Если при этом , то фотоэффект не возникает, какова бы ни была интенсивность! Не менее удивительный факт обнаруживается и при \nu_0' alt='\nu > \nu_0' /> : максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов от интенсивности света не зависит.
Все эти факты нашли отражение во втором и третьем законах фотоэффекта.
Второй закон фотоэффекта. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
Третий закон фотоэффекта. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта — наименьшая частота света , при которой фотоэффект ещё возможен. При фотоэффект не наблюдается ни при какой интенсивности света.
Трудности классического объяснения фотоэффекта
Как можно было бы объяснить фотоэффект с точки зрения классической электродинамики и волновых представлений о свете?
Известно, что для вырывания электрона из вещества требуется сообщить ему некоторую энергию , называемую работой выхода электрона. В случае свободного электрона в металле это работа по преодолению поля положительных ионов кристаллической решётки, удерживающего электрон на границе металла. В случае электрона, находящегося в атоме, работа выхода есть работа по разрыву связи электрона с ядром.
В переменном электрическом поле световой волны электрон начинает совершать колебания.
И если энергия колебаний превысит работу выхода, то электрон будет вырван из вещества.
Однако в рамках таких представлений невозможно понять второй и третий законы фотоэффекта. Действительно, почему кинетическая энергия выбитых электронов не зависит от интенсивности излучения? Ведь чем больше интенсивность, тем больше напряжённость электрического поля в электромагнитной волне, тем больше сила, действующая на электрон, тем больше энергия его колебаний и с тем большей кинетической энергией электрон вылетит из катода. Логично? Логично. Но эксперимент показывает иное.
Далее, откуда берётся красная граница фотоэффекта? Чем «провинились» низкие частоты? Казалось бы, с ростом интенсивности света растёт и сила, действующая на электроны; поэтому даже при низкой частоте света электрон рано или поздно будет вырван из вещества — когда интенсивность достигнет достаточно большого значения. Однако красная граница ставит жёсткий запрет на вылет электронов при низких частотах падающего излучения.
Кроме того, неясна безынерционность фотоэффекта. Именно, при освещении катода излучением сколь угодно слабой интенсивности (с частотой выше красной границы) фотоэффект начинается мгновенно — в момент включения освещения. Между тем, казалось бы, электронам требуется некоторое время для «расшатывания» связей, удерживающих их в веществе, и это время «раскачки» должно быть тем больше, чем слабее падающий свет. Аналогия такая: чем слабее вы толкаете качели, тем дольше придётся их раскачивать до заданной амплитуды.
Выглядит опять-таки логично, но опыт — единственный критерий истины в физике! — этим доводам противоречит.
Так на рубеже XIX и XX столетий в физике возникла тупиковая ситуация: электродинамика, предсказавшая существование электромагнитных волн и великолепно работающая в диапазоне радиоволн, отказалась объяснять явление фотоэффекта.
Выход из этого тупика был найден Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он нашёл простое уравнение, описывающее фотоэффект. Все три закона фотоэффекта оказались следствиями уравнения Эйнштейна.
Главная заслуга Эйнштейна состояла в отказе от попыток истолковать фотоэффект с позиций классической электродинамики. Эйнштейн привлёк к делу смелую гипотезу о квантах, высказанную Максом Планком пятью годами ранее.
Гипотеза Планка о квантах
Классическая электродинамика отказалась работать не только в области фотоэффекта. Она также дала серьёзный сбой, когда её попытались использовать для описания излучения нагретого тела (так называемого теплового излучения).
Суть проблемы состояла в том, что простая и естественная электродинамическая модель теплового излучения приводила к бессмысленному выводу: любое нагретое тело, непрерывно излучая, должно постепенно потерять всю свою энергию и остыть до абсолютного нуля. Как мы прекрасно знаем, ничего подобного не наблюдается.
В ходе решения этой проблемы Макс Планк высказал свою знаменитую гипотезу.
Гипотеза о квантах. Электромагнитная энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными неделимыми порциями — квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения:
Cоотношение (2) называется формулой Планка, а коэффициент пропорциональности — постоянной Планка.
Принятие этой гипотезы позволило Планку построить теорию теплового излучения, прекрасно согласующуюся с экспериментом. Располагая известными из опыта спектрами теплового излучения, Планк вычислил значение своей постоянной:
Успешность гипотезы Планка наводила на мысль, что законы классической физики неприменимы к малым частицам вроде атомов или электронов, а также к явлениям взаимодействия света и вещества. Подтверждением данной мысли как раз и послужило явление фотоэффекта.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Гипотеза Планка говорила о дискретности излучения и поглощения электромагнитных волн, то есть о прерывистом характере взаимодействия света с веществом. При этом Планк считал, что распространение света — это непрерывный процесс, происходящий в полном соответствии с законами классической электродинамики.
Эйнштейн пошёл ещё дальше: он предположил, что свет в принципе обладает прерывистой структурой: не только излучение и поглощение, но также и распространение света происходит отдельными порциями — квантами, обладающими энергией .
Планк рассматривал свою гипотезу лишь как математический трюк и не решился опровергнуть электродинамику применительно к микромиру. Физической реальностью кванты стали благодаря Эйнштейну.
Кванты электромагнитного излучения (в частности, кванты света) стали впоследствии называться фотонами. Таким образом, свет состоит из особых частиц — фотонов, движущихся в вакууме со скоростью .
Каждый фотон монохроматического света, имеющего частоту , несёт энергию .
Фотоны могут обмениваться энергией и импульсом с частицами вещества (об импульсе фотона речь пойдёт в следующем листке); в таком случае мы говорим о столкновении фотона и частицы. В частности, происходит столкновение фотонов с электронами металла катода.
Поглощение света — это поглощение фотонов, то есть неупругое столкновение фотонов с частицами (атомами, электронами). Поглощаясь при столкновении с электроном, фотон передаёт ему свою энергию. В результате электрон получает кинетическую энергию мгновенно, а не постепенно, и именно этим объясняется безынерционность фотоэффекта.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта есть не что иное, как закон сохранения энергии. На что идёт энергия фотона ? при его неупругом столкновении с электроном? Она расходуется на совершение работы выхода по извлечению электрона из вещества и на придание электрону кинетической энергии :
Слагаемое оказывается максимальной кинетической энергией фотоэлектронов. Почему максимальной? Этот вопрос требует небольшого пояснения.
Электроны в металле могут быть свободными и связанными. Свободные электроны «гуляют» по всему металлу, связанные электроны «сидят» внутри своих атомов. Кроме того, электрон может находиться как вблизи поверхности металла, так и в его глубине.
Ясно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона получится в том случае, когда фотон попадёт на свободный электрон в поверхностном слое металла — тогда для выбивания электрона достаточно одной лишь работы выхода.
Во всех других случаях придётся затрачивать дополнительную энергию — на вырывание связанного электрона из атома или на «протаскивание» глубинного электрона к поверхности.
Эти лишние затраты приведут к тому, что кинетическая энергия вылетевшего электрона окажется меньше.
Замечательное по простоте и физической ясности уравнение (4) содержит в себе всю теорию фотоэффекта. Давайте посмотрим, какое объяснение получают законы фотоэффекта с точки зрения уравнения Эйнштейна.
1. Число выбиваемых электронов пропорционально числу поглощённых фотонов. С увеличением интенсивности света количество фотонов, падающих на катод за секунду, возрастает.
Стало быть, пропорционально возрастает число поглощённых фотонов и, соответственно, число выбитых за секунду электронов.
2. Выразим из формулы (4) кинетическую энергию:
Действительно, кинетическая энергия выбитых электронов линейно растёт с частотой и не зависит от интенсивности света.
Зависимость кинетической энергии от частоты имеет вид уравнения прямой, проходящей через точку . Этим полностью объясняется ход графика на рис. 3 .
3. Для того, чтобы начался фотоэффект, энергии фотона должно хватить как минимум на совершение работы выхода: . Наименьшая частота , определяемая равенством
как раз и будет красной границей фотоэффекта. Как видим, красная граница фотоэффекта определяется только работой выхода, т.е. зависит лишь от вещества облучаемой поверхности катода.
Если , то фотоэффекта не будет — сколько бы фотонов за секунду не падало на катод. Следовательно, интенсивность света роли не играет; главное — хватает ли отдельному фотону энергии, чтобы выбить электрон.
Уравнение Эйнштейна (4) даёт возможность экспериментального нахождения постоянной Планка. Для этого надо предварительно определить частоту излучения и работу выхода материала катода, а также измерить кинетическую энергию фотоэлектронов.
В ходе таких опытов было получено значение , в точности совпадающее с (3) . Такое совпадение результатов двух независимых экспериментов — на основе спектров теплового излучения и уравнения Эйнштейна для фотоэффекта — означало, что обнаружены совершенно новые «правила игры», по которым происходит взаимодействие света и вещества. В этой области классическая физика в лице механики Ньютона и электродинамики Максвелла уступает место квантовой физике — теории микромира, построение которой продолжается и сегодня.
Урок физики по теме "Фотоэффект"
1. Образовательные: сформировать у учащихся представление о фотоэффекте и изучить его законы, которым он подчиняется; проверить законы фотоэффекта с помощью виртуального эксперимента.
2. Развивающие: развивать логическое мышление, учить моделировать процессы на компьютере, анализировать результаты эксперимента.
3. Воспитательные: воспитание коммуникабельности (умения общаться), внимания, активности, чувство ответственности, привитие интереса к предмету.
Вид урока : изучение нового материала.
Тип урока : комбинированный
Оборудование: компьютеры, мультимедийный проектор, электронные издания “Физика,7-11” (Физикон); “Уроки физики в 11 классе” (Кирилл и Мефодий) Информационные объекты. Анимация: СD "Открытая физика 2.6 Часть 2", раздел Квантовая физика “Фотоэффект”
Компьютерная презентация “ Фотоэффект ”: краткие биографии ученых – М. Планк, А. Г. Столетов, А. Эйнштейн, основные схемы, термины, понятия и формулы темы.– СД “Физика 7-11 класс” (разработаны компаниями “Кирилл и Мефодий”, “Нью Медиа Дженерейшн” и “Дрофа”)
Наглядные пособия : презентация, сопровождающая различные этапы урока.
Конспект урока "Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна"
Каждый век, приобретая новые идеи,
приобретает и новые глаза.
Генрих Гейне
С данной темы переходим к изучению квантовой физики. И в начале поговорим о таком явление, как фотоэффект. А также рассмотрим уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
В конце 19 века многие ученые считали, что развитие физики завершилось. Законы механики и теория всемирного тяготения были известны уже более 200 лет. Максвеллом была завершена теория электромагнетизма. Установлены законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда.
Однако к началу 20 века возникли некоторые проблемы, которые касались физической природы излучения и вещества и их взаимодействия друг с другом. В рамках классической физики возникали существенные противоречия при объяснении экспериментальных данных для процессов поглощения и испускания света атомами, закономерностей испускания электромагнитного излучения нагретыми телами и многое другое.
Анализ данных противоречий привел к революции в физике. И в течение последующих 30 лет были заложены основы новой — квантовой физики, которая пришла на смену классическим представлениям при рассмотрении явлений, происходящих на атомном и субатомном уровнях.
Известно, что все нагретые тела испускают тепловое электромагнитное излучение, интенсивность которого зависит от температуры тела. При этом излучение, испускаемое телами, содержит волны различных частот. А эксперименты показали, что спектр теплового излучения является непрерывным.
Согласно волновой теории света, испускание и поглощение электромагнитных волн рассматривается как непрерывный процесс, в результате которого энергия источника или приемника волн также меняется непрерывно. Но тогда, нагретое тело, непрерывно излучающее электромагнитные волны, должно терять энергию и, как следствие, охлаждаться до абсолютного нуля. Следовательно, не возможно тепловое равновесие между веществом и излучением. А это противоречит экспериментам.
Для объяснения этих противоречий 14 декабря 1900 года Макс Планк в докладе на заседании немецкого физического общества выдвинул революционную гипотезу о том, что атомы излучают энергию не непрерывно, а отдельными порциями — квантами световой энергии. В соответствии с этой гипотезой энергия любой колебательной системы, имеющей частоту собственных колебаний, может принимать лишь определенные значения, отличающиеся на целое число элементарных порций — квантов энергии:
В этой формуле n — целое положительное число (количество квантов), а h — коэффициент пропорциональности, который называют постоянной Планка – фундаментальная постоянная. Ее приближенное значение, принимаемое при решении задач, составляет 6,63×10 –34 Дж×с. Сам Планк поэтически назвал новую фундаментальную постоянную «таинственным послом из реального мира».
Представление о квантах световой энергии объяснило многие экспериментальные факты, которые ранее не возможно было объяснить на основании классических представлений о свете. В развитии представления о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, которое в свое время открыл Генрих Рудольф Герц.
В 1887 году, изучая искровой разряд, он обнаружил, что пробой воздушного промежутка между электродами искрового разрядника происходит при меньшем напряжении, если освещать отрицательно заряженный электрод ультрафиолетовым излучением. Дальнейшие эксперименты показали, что отрицательно заряженная цинковая пластина при облучении ультрафиолетовым светом разряжается. Оба эти явления можно объяснить, только предполагая, что под действием падающего излучения из металла вылетают электроны — отрицательно заряженные частицы. Это явление получило название фотоэффект.
В настоящее время под фотоэффектом (или фотоэлектрическим эффектом) понимается явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения полностью передается электронам вещества.
Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом, а вылетающие электроны — фотоэлектронами.
Если же фотоэффект сопровождается увеличением концентрации носителей заряда в веществе, а, следовательно, и увеличение электропроводности вещества, то его называют внутренним фотоэффектом.
Систематическое изучение явления фотоэффекта было проведено в 1888 — 1889 годах выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым.
Установка для изучения внешнего фотоэффекта представляет собой стеклянный баллон, из которого откачен воздух. Внутри баллона располагается два впаянных электрода. Один из них изготовлен из медной сетки, к которой подводился положительный заряд, а второй электрод представляет собой отрицательно заряженную цинковую пластинку. Внутрь баллона через кварцевое окошко, прозрачное для ультрафиолетового излучения, попадает свет на катод. Под действием падающего света катод испускает электроны, которые замыкают цепь. Находящийся в цепи амперметр фиксирует наличие тока.
Наблюдения Столетова показали, что даже при отсутствии напряжения между электродами под действием падающего ультрафиолетового излучения в цепи возникает электрический ток, получивший название фототок.
Изменяя напряжение между электродами с помощью реостата, Столетов получил зависимость силы фототока от напряжения (иными словами — вольт-амперную характеристику фотоэффекта).
Как видно из зависимости, если увеличивать напряжение между электродами, то сила фототока также будет расти. Однако рост силы фототока происходит лишь до некоторого максимального значения, которое называется фототоком насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту фототока. Значит, при фототоке насыщения все электроны, вылетевшие с поверхности металла за 1 секунду, за это же время попадают на анод.
Если изменить полярность напряжения, то в электростатическом поле между электродами фотоэлектроны будут тормозиться, и, как следствие, будет уменьшаться сила фототока. При некотором значении отрицательного напряжения, которое называют задерживающим напряжением, фототок полностью прекращается.
Объяснить это явление можно на основании теоремы о кинетической энергии. Согласно ей, работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов, при условии, что их скорость намного меньше скорости света в вакууме. Следовательно, зная значение задерживающего напряжения, можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.
Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового излучения. Но есть некоторые металлы, например, такие как литий, натрий, калий или цезий, которые испускают электроны и при облучении видимым светом.
Александр Столетов экспериментально установил три закона для внешнего фотоэффекта.
Первый закон: сила фототока насыщения, определяемая максимальным числом фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения.
Обратите внимание на вольт-амперную характеристику фотоэффекта для различных световых потоков, падающих на фотокатод при постоянной частоте. И на характеристику для постоянного светового потока, но различных частот падающего на катод света. Если проанализировать данные вольт-амперных характеристик и по ним построить график зависимости силы фототока насыщения от интенсивности падающего излучения, то можно увидеть, что сила фототока насыщения равна нулю только при отсутствии падающего на катод излучения.
Второй закон фотоэффекта : максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением его частоты.
Здесь подчеркнем, что фотоэлектроны не имеют фиксированной кинетической энергии при вылете из катода: она меняется в некотором диапазоне от нуля до максимального значения, так как фотоэлектроны могут часть своей энергии, полученной от падающего излучения, передать частицам вещества перед вылетом.
Теперь вновь обратимся к вольт-амперным характеристикам фотоэффекта для различных световых потоков при постоянной частоте и для постоянного светового потока при различных частотах падающего на катод света. Как можно заметить, величина задерживающего напряжения увеличивается с увеличением частоты падающего света и наоборот. И при некотором значении частоты падающего света задерживающее напряжение становится равным нулю, а дальнейшее уменьшение частоты приводит к тому, что фотоэффект наблюдаться не будет. Так вот, эта минимальная частота (или максимальная длина волны) падающего света, при которой еще возможен фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта.
Такое название связано с тем, что минимальная частота излучения в видимом диапазоне соответствует красному свету. Но следует помнить, что красная граница для различных веществ различна и необязательно соответствует красному цвету.
На основании проведенного анализа вольт-амперных характеристик, можно сформулировать третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота, такая, что излучение меньшей частоты не может вырвать электроны с его поверхности.
Существует еще одно свойство фотоэффекта, которое часто записывают как его четвертый закон: фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом, до вылета электрона проходит время порядка 10 –9 секунды.
А теперь давайте попробуем объяснить экспериментальные законы фотоэффекта на основе квантовых представлений, предложенных Эйнштейном. И так, электрон одного из атомов внутри металла после поглощения одного фотона получает квант энергии и стремится выйти за пределы кристаллической решетки.
Электроны, покинувшие образец, имеют некоторую скорость, поэтому даже при отсутствии напряжения между электродами сила фототока не равна нулю.
Часть энергии, полученной при поглощении фотона, электрон расходует на совершение работы по преодолению сил притяжения, удерживающих его внутри вещества. Соответственно остаток энергии будет равен кинетической энергии электрона.
Здесь — кинетическая энергия электрона, вылетевшего с поверхности металла и движущегося со скоростью, намного меньше скорости света. Величина представляет собой работу, которую необходимо совершить против сил электрического поля для того чтобы электрон вылетел из вещества. Она называется работой выхода. Для металлов работа выхода обычно составляет несколько электронвольт. Таким образом, полученное уравнение — уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта — является следствием закона сохранения и превращения энергии в этом процессе.
Используем данное уравнение для объяснения экспериментальных законов фотоэффекта.
И так, первый закон фотоэффекта. Сила фототока насыщения пропорциональна общему числу фотоэлектронов, покидающих поверхность металла за единицу времени. Число таких фотоэлектронов пропорциональна числу фотонов, падающих на поверхность за это же время. Значит, увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают из металла все больше электронов.
Второй закон фотоэффекта. При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия, согласно формуле, линейно возрастает. Но если подать напряжение обратной полярности, затрудняющее вылет электронов, то сила фототока уменьшится, так как теперь электронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля. Таким образом, действительно найдется такое значение напряжения, при котором все вылетевшие электроны затормаживаются и, не достигнув поверхности анода, возвращаются на катод.
Ну и третий закон фотоэффекта. Если частота падающего света меньше граничной частоты, при которой минимальная энергия фотона равна работе выхода, то испускание электронов не происходит.
Таким образом, красную границу фотоэффекта можно найти из соотношения:
Из этой формулы видно, что красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода электронов, т.е. определяется строением металла и состоянием его поверхности.
Длину волны излучения, соответствующего красной границе фотоэффекта, можно определить по формуле:
Для того чтобы было еще более понятно, что такое фотоэффект, рассмотрим его механическую аналогию. Представьте, что у нас есть шарик, находящийся на дне глубокой ямы. Если шарику сообщить достаточную начальную кинетическую энергию, он поднимется из ямы и покатится по поверхности земли с некоторой скоростью. Закон сохранения и превращения энергии для такого процесса вы видите на экране.
Если провести аналогию данной формулы с уравнением Эйнштейна для фотоэффекта, то можно заметить, что величина является работой выхода шарика из ямы, а сообщенная ему кинетическая энергия аналогична энергии фотона.
Основные выводы:
– Явление фотоэффекта заключается в том, что при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом энергия излучения полностью передается электронам вещества.
– Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом, а вылетающие электроны — фотоэлектронами.
– Если же фотоэффект сопровождается увеличением концентрации носителей заряда в веществе, а, следовательно, и увеличением электропроводности вещества, то его называют внутренним фотоэффектом.
– Рассмотрели законы внешнего фотоэффекта.
– Первый закон: сила фототока насыщения, определяемая максимальным числом фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения.
– Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением его частоты.
– Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота, такая, что излучение меньшей частоты не может вырвать электроны с его поверхности.
– Четвертый закон: фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом, до вылета электрона проходит время порядка 10 в минус девятой степени секунды.
– Минимальная частота (или максимальная длина волны) падающего света, при которой еще возможен фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта.
Подборка заданий для подготовки к ЕГЭ по теме:"Фотоэффект"
А4. Под действием монохроматического света на металлической пластине идёт фотоэффект, при этом количество выбиваемых электронов в единицу времени зависит от интенсивности падающего света согласно графику
А5. Под действием монохроматического света на металлической пластине идёт фотоэффект, при этом задерживающее напряжение зависит от интенсивности падающего света согласно графику
А6. Под действием монохроматического света на металлической пластине идёт фотоэффект, при этом задерживающее напряжение зависит от интенсивности падающего света согласно графику
А7. Во время фотоэффекта зависимость импульса падающих на металлическую пластину фотонов от максимального импульса выбитых электронов показана на графике
1) 1 2) 2 3) 3 4) 4
А8 . Во время фотоэффекта максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, выбиваемых из металла, зависит от частоты падающего излучения согласно графику 1) 1 2) 2 3) 3 4) 4
А9 .На металлической пластине идёт фотоэффект. Задерживающее напряжение фотоэффекта зависит от частоты излучения согласно графику
А10 .Если поочерёдно освещать поверхность металла излучением с длинами волн 350нм и 540нм, то максимальные скорости фотоэлектронов отличаются в два раза. Это означает, что работа выхода электронов из металла равна
1) 2*10 -19 Дж; 2)2,5*10 -19 Дж; 3) 3*10 -19 Дж;
4) 3,3*10 -19 Дж; 5) 3,5*10 -19 Дж.
А11. На сколько герц изменилась частота падающего на фотокатод излучения, если разность задерживающих напряжений составляет 4,14В?
1)10 13 Гц; 2) 10 14 Гц; 3) 10 15 Гц; 4) 10 16 Гц; 5) 10 17 Гц.
А12 .Красная граница фотоэффекта для некоторого металла равна 0,5мкм. При какой частоте падающего света оторвавшиеся с его поверхности электроны будут полностью задерживаться потенциалом в 3,0В?
1)10 14 Гц; 2) 5*10 14 Гц; 3) 10 15 Гц; 4) 5*10 16 Гц;
А13. Какую скорость приобретают вырванные из калия электроны при облучении его фиолетовым светом с длиной волны 0,42 мкм, если работа выхода электронов из калия равна 2эВ?
1)1,5*10 5 м/с; 2) 5,6*10 5 м/с; 3) 8*10 5 м/с; 4) 1,5*10 6 м/с;
А14. Металлическая пластина, работа выхода для которой равна 4,7эВ, освещена излучением с длиной волны 180нм. Какой максимальный импульс передаётся пластине при вырывании электрона ( m е =9,1*10 -31 кг).
1) 7*10 -25 кг*м/с; 2) 3*10 -25 кг*м/с; 3) 10 -25 кг*м/с;
4) 8*10 -26 кг*м/с; 5) 6*10 -26 кг*м/с.
А15. При облучении металла светом с длиной волны 500нм фотоэлектроны задерживаются разностью потенциалов 1,2В. Какова задерживающая разностью потенциалов при облучении металла светом с длиной волны 400нм?
1) 1,3В; 2) 1,4В; 3) 1,6В; 4) 1,7В; 5) 1,8В
А16. Кинетическая энергия фотоэлектрона, вылетевшего с поверхности металла под действием фотона, равна Е. Энергия этого фотона при фотоэффекте
1) больше Е; 2) меньше Е; 3) равна Е;
4) может быть больше или меньше Е в зависимости от условий.
А17. При освещении катода вакуумного фотоэлемента потоком монохроматического света происходит освобождение фотоэлектронов. Как изменится максимальная энергия вылетевших фотоэлектронов при увеличении частоты падающего света в 3 раза?
1) увеличится в 3 раза; 2) не изменится; 3) увеличится более чем в 3 раза;
4) увеличится менее чем в 3 раза.
А18. На пластину из никеля падает электромагнитное излучение, энергия фотонов которого равна 9эВ. При этом в результате фотоэффекта из пластины вылетают электроны с максимальной энергией 4эВ. Чему равна работа выхода электронов из никеля?
1)13эВ; 2) 9эВ; 3)5эВ; 4) 3эВ.
А19. Если скорость фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности катода, при увеличении частоты света увеличивается в 3 раза, то запирающий потенциал в данной установке должен
1) увеличится в 9 раз; 2) уменьшится в 9 раз; 3) увеличится в 3 раза; 4) уменьшится в 3 раза.
А20. Фотоэффектом называется
1) увеличение температуры проводника с ростом сопротивления;
2) движение лёгкой вертушки при освещении её лепестков;
3) появление разности потенциалов между освещённой и тёмной сторонами металлической пластины;
4) электризация металлов под действием света.
А21. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта представляет собой применение к данному явлению
1) закона сохранения импульса;
2) закона сохранения энергии;
3) закона сохранения заряда;
4) закона сохранения момента импульса.
А22. Красная граница фотоэффекта для лития равна 540нм. Максимальная скорость вылета электронов 10 6 м/с. Частота света, которым освещается катод, равна
1)1,32*10 15 Гц; 2) 1,24*10 15 Гц; 3) 1,08*10 15 Гц; 4) 1,67*10 14 Гц.
А23. Красную границу фотоэффекта определяет
1) частота падающего света;
2) свойства вещества фотокатода;
3) интенсивность падающего света;
4)длина волны падающего света.
А24. Определите задерживающую разность потенциалов для фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности калия (Ав = 2эВ) при его освещении светом с частотой 9*10 14 Гц
1) 0,3В; 2) 1,2В; 3) 1,7В; 4) 2,1В.
А25. От чего зависит кинетическая энергия фотоэлектронов, выбиваемых из металла при фотоэффекте? А: от частоты падающего света;
Б: от интенсивности падающего света;
В: от работы выхода электронов из металла.
Правильными являются ответы
1) только Б; 2) А 3) А и В; 4) А, Б и В.
А26. Поверхность металла освещается светом, длина волны которого меньше, чем красная граница фотоэффекта. При увеличении интенсивности света
1) фотоэффект происходить не будет при любой интенсивности света;
2) будет увеличиваться количество фотоэлектронов;
3) будет увеличиваться энергия фотоэлектронов;
4) будет увеличиваться энергия и количество фотоэлектронов.
А27. Поверхность металла освещается монохроматическим светом одинаковой интенсивности: сначала красным, потом зелёным, затем синим. В каком случае максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов была наибольшей?
1) при освещении красным светом;
2) при освещении зелёным светом;
3) при освещении синим светом;
4) во всех случаях одинаковая.
А28. Какое из уравнений служит для вычисления работы выхода электронов из металла в результате фотоэффекта?
1) А = hν – Ек 2) А = Ек - hν 3) А = Ек + hν 4) А = Ек/ hν
А29. Незаряженный, изолированный от других тел металлический шар облучается ультрафиолетовым светом. Заряд какого знака будет иметь шар в результате фотоэффекта?
1) положительный; 2) отрицательный;
3) шар останется нейтральным;
4) знак заряда может быть любым.
А30. Интенсивность света, падающего на металлическую пластину, уменьшается, а частота – увеличивается. Число фотоэлектронов, покидающих пластину в единицу времени, будет
1) увеличиваться; 2) уменьшаться;
3) оставаться прежним;
4) сначала увеличиваться, затем уменьшаться.
А31. Как изменится работа выхода электронов из металла при увеличении энергии квантов падающего на него света с 3эВ до 5эВ?
1) увеличится на 2эВ;
2) увеличится на 3эВ;
3) увеличится на 5эВ;
А32. Как изменится минимальная частота, при которой возникает фотоэффект, если пластине сообщить отрицательный заряд?
1) не изменится; 2) увеличится; 3) уменьшится;
4)увеличится или уменьшится в зависимости от рода вещества.
А33. При изучении фотоэффекта поверхность металла освещают светом с известной частотой, превышающей красную границу фотоэффекта, и измеряют энергию вылетевших электронов. Насколько увеличится максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов при увеличении частоты света на 5*10 14 Гц?
1) 1,6*10 -19 Дж; 2) 2*10 -19 Дж; 3) 3,3*10 -19 Дж; 4) 6,6*10 -19 Дж.
А34. Поверхность металла освещается светом, энергия фотонов которого 9эВ. Работа выхода электронов из металла в 3 раза меньше, чем энергия фотонов. Чему равна максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, вылетевших из металла при фотоэффекте?
1) 9эВ; 2) 2эВ; 3) 3эВ; 4) 6эВ.
А35. Поверхность металла освещается светом, энергия фотонов которого 9эВ. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, вылетевших из металла при фотоэффекте в 3 раза меньше, чем энергия фотонов. Чему равна работа выхода электронов из металла?
А36. При облучении металла зелёным светом наблюдается явление фотоэффекта. Фотоэффект для данного материала будет наблюдаться и при облучении его
1) жёлтым светом; 2)красным светом; 3) оранжевым светом;
А37. При уменьшении угла падения α на плоский фотокатод монохроматического излучения с неизменной длиной волны λ максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов
1) возрастает; 2) уменьшается; 3) не изменяется;
4) возрастает при λ больше 500нм и уменьшается при λ меньше 500нм.
А38. Красная граница фотоэффекта исследуемого металла 800нм. При освещении этого металла светом с длиной волны λ максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, вылетевших из него в 4 раза меньше, чем энергия падающего света. Какова длина волны λ падающего света?
1) 200нм; 2) 400нм; 3) 600нм; 4)3200нм.
А39. Длина волны падающего света на металл 600нм. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, вылетевших из него в 4 раза меньше, чем энергия падающего света. Какова красная граница фотоэффекта исследуемого металла?
1) 400нм; 2) 450нм; 3) 800нм; 4)2400нм.
А40. Красная граница фотоэффекта исследуемого металла 800нм. Металл освещается светом с длиной волны 600нм. Найдите отношение энергии падающего света к кинетическая энергия фотоэлектронов, вылетевших из него.
1) 3/4 2) 4/3 3) 3 4) 4
А41. Металла освещается светом, энергия которого 12эВ. Определите работу выхода электронов из металла, если известно, что она в 3 раза больше максимальной кинетической энергии фотоэлектронов.
1) 3эВ; 2) 4эВ; 3) 6эВ; 4) 9эВ.
А42. Металла освещается светом. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов составляет 4,2 *10 -19 Дж, работа выхода электронов из металла 9*10 -19 Дж. Определите длину волны падающего света.
1) 150нм; 2) 300нм; 3) 600нм; 4) 1200нм.
А43. Металла освещается светом, энергия которого 12эВ. Определите максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, если известно, что она в 2 раза больше работы выхода электронов из металла.
1) 4эВ; 2) 6эВ; 3) 8эВ; 4) 12эВ.
А44. . Длина волны падающего света на металл 600нм. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов составляет 5,2 *10 -19 Дж. Определите работу выхода электронов из металла.
1) 7*10 -19 Дж; 2) 8*10 -19 Дж; 3) 9*10 -19 Дж; 4) 11*10 -19 Дж;
А45. Длина волны падающего света на металл 600нм. Работа выхода электронов из металла составляет 6,2 *10 -19 Дж. Определите максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.
1) 7*10 -19 Дж; 2) 8*10 -19 Дж; 3) 9*10 -19 Дж; 4) 11*10 -19 Дж.
А46. Металла освещается светом, энергия которого 5,3*10 -19 Дж. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов составляет 2*10 -19 Дж. Какой длине волны соответствует красная граница фотоэффекта этого металла?
А47. Металл освещается светом. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов составляет 2,7*10 -19 Дж, красная граница фотоэффекта
соответствует 600нм. Определите энергию падающего света.
1) 3,3*10 -19 Дж; 2) 6*10 -19 Дж; 3) 5,4*10 -19 Дж; 4) 7*10 -19 Дж.
А48 . Уменьшение длины волны вызывающего фотоэффект фотона на 1% ведёт к увеличению максимальной скорости выбитого электрона на 1%. В такой ситуации отношение работы выхода электронов к энергии фотона равно
1) 0,5 2) 0,75 3) 0,95 4) не может быть, такая ситуация неосуществима.
А49. Уменьшение длины волны вызывающего фотоэффект фотона на 1% ведёт к увеличению максимальной скорости выбитого электрона на 0,1%. В такой ситуации отношение работы выхода электронов к энергии фотона равно
А50. Уменьшение длины волны вызывающего фотоэффект фотона на 1% ведёт к увеличению максимальной скорости выбитого электрона на 10%. В такой ситуации отношение работы выхода электронов к энергии фотона равно
А51. Увеличение частоты вызывающего фотоэффект фотона на 1% ведёт к увеличению максимальной скорости выбитого электрона на 2%. В такой ситуации отношение работы выхода электронов к энергии фотона равно
1) 0,5 2) 0,75 3) 0,9 4) не может быть, такая ситуация неосуществима.
А52. Увеличение частоты вызывающего фотоэффект фотона на 1% ведёт к увеличению максимальной скорости выбитого электрона на 0,2%. В такой ситуации отношение работы выхода электронов к энергии фотона равно
А53. Увеличение частоты вызывающего фотоэффект фотона в 1,1 раза ведёт к увеличению максимальной скорости выбитого электрона в 1,1 раза. В такой ситуации отношение работы выхода электронов к энергии фотона равно
Задания с кратким ответом.
В1. Красная граница фотоэффекта для металла равна 0,5мкм. При какой частоте света оторвавшиеся с его поверхности электроны полностью задерживаются электрическим полем с потенциалом 3,0В. Полученный результат умножьте на 10 -14 и округлите до целых.
В2. При освещении ультрафиолетовым светом с частотой 10 15 Гц металлического проводника с работой выхода 3,11эВ выбиваются электроны. Чему равна максимальная скорость выбитых электронов? Ответ округлите до одной значащей цифры и умножьте на 10 -5 .
В3. При облучении катода светом с частотой 1,1*10 15 Гц фототок прекращается при напряжении 1,65В. Чему равна красная граница фотоэффекта для данного металла? Ответ округлите до целых и умножьте на 10 -13 .
В4. Если поочерёдно освещать поверхность металла излучением с частотой 350нм и 540нм, то максимальная скорость выбитых электронов отличается в 2 раза. Определите работу выхода электронов из металла, выразив её в эВ.
В5. Фотокатод покрытый кальцием ( А = 4,42 *10 -19 Дж ) освещается светом с частотой 2*10 15 Гц. Вылетевшие из катода электроны попадают в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции и движутся по окружности радиусом 10мм. Чему равна индукция магнитного поля? Ответ выразите в миллитеслах и округлите до одного знака после запятой.
В6. При облучении катода светом с частотой 10 15 Гц металлического проводника с работой выхода электронов из металла 3эВ выбиваются электроны. Чему равна максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов? Ответ округлите до целых и умножьте на 10 -19 .
В7. И злучение с длиной волны 0,3мкм падает на металлическую пластину. Красная граница фотоэффекта исследуемого металла 4,3*10 14 Гц. Найдите в эВ кинетическую энергию фотоэлектронов фотоэлектронов и округлите до сотых.
В8. Найдите длину волны света, при которой способен выбить с максимальной кинетической энергией фотоэлектронов 2эВ, работа выхода электронов из металла 1,89эВ. Округлите результат до сотых и выразиться в эВ.
Задания с развёрнутым ответом.
С1. В вакууме находятся две покрытые кальцием пластины, которым подключён конденсатор ёмкостью 8000пФ. При длительном освещении одной из пластин светом фототок, возникший вначале, прекращается, а на конденсаторе появляется заряд 11*10 -11 Кл. Определите длину волны света, освещающего пластину. ( Ав = 4,42 *10 -19 Дж )
С2. В вакууме находятся две покрытые кальцием пластины, которым подключён конденсатор ёмкостью С. При длительном освещении пластин светом с частотой 10 15 Гц возникший вначале ток прекращается, а на конденсаторе появляется заряд 11*10 -11 Кл. Определите длину волны света, освещающего пластину. ( Ав = 4,42 *10 -19 Дж )
С3. Фотон с длиной волны 2*10 -5 см выбивает электрон из металлической пластины в сосуде, из которого откачен воздух. Работа выхода электронов из металла 3эВ. Электрон разгоняется постоянным электрическим полем до энергии равной ионизации атома водорода (13,6эВ), и ионизирует атом. Какую минимальную энергию будет иметь протон, возникающий в результате ионизации. Начальная скорость протона равна 0.
С4. Фотон с длиной волны ,соответствующей красной границе фотоэффекта, выбивает электрон из металлической пластины в сосуде, в котором находится водород. Электрон разгоняется постоянным электрическим полем и ударяется о катод ( Ав = 4,42 *10 -19 Дж ). Во сколько раз импульс протона Начальная скорость протона равна 0.
С5. Фотон с длиной волны, соответствующей красной границе фотоэффекта, выбивает электрон из катода в сосуде, из которого откачен воздух и впущено небольшое количество водорода. Электрон разгоняется постоянным электрическим полем до энергии ионизации атома водорода 13,6эВ, и ионизирует атом. Возникший протон ускоряется имеющимся электрическим полем и ударяется о катод. Во сколько раз импульс, передаваемый катоду протоном, больше максимального импульса электрона, ионизирующего атом? Начальную скорость протона считать равной нулю, удар абсолютно неупругим.
Внешний фотоэффект. Законы фотоэффекта
Под внешним фотоэффектом понимают процесс выбивания электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Герцем в 1887 году и систематически исследован Столетовым в 1888 – 1889 г. Принципиальная схема установки для исследования фотоэффекта приведена на рис. 7.1.
Свет освещает катод К, изготовленный из исследуемого металла. Электроны, испущенные катодом, перемещаются под действием электрического поля к аноду А, в результате в цепи фотоэлемента течет фототок I, измеряемый гальванометром Г. Напряжение между анодом и катодом можно изменять потенциометром П.
На рис. 7.2 приведено семейство вольт - амперных характеристик, снятых при одной и той же частоте, но при разных потоках (интенсивностях) света. По результатам исследований были сформулированы следующие законы
1.Максимальная начальная скорость фотоэлектронов, вылетающих с поверхности катода, определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.
2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта νК – такая минимальная частота падающего излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается.
При объяснении первого и второго законов с помощью классической физики возникли следующие трудности. Было совершенно не понятно, почему начальная скорость вылетающих из катода электронов зависит от частоты света, а не от его интенсивности. Согласно электромагнитной теории вырывание свободных электронов из металла должно являться результатом их «раскачивания» в электрическом поле световой волной. Увеличение интенсивности, а, следовательно, и амплитуды световой волны должно приводить к увеличению начальной скорости фотоэлектронов.
Трудности в истолковании первого и второго закона фотоэффекта вызвали сомнение в универсальной применимости волновой теории света и привели А. Эйнштейна к созданию квантовой теории света.
Эйнштейн развил идею Планка о квантовом характере излучения атомами. Он предположил, что свет не только излучается, но также распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде отдельных порций – квантов электромагнитного излучения. Эти кванты были названы фотонами. Процесс поглощения света веществом сводится к тому, что фотоны передают всю свою энергию частицам вещества. Для выхода электрона из вещества он должен совершить работу выхода А. В результате поглощения фотона электрон приобретает энергию hv. Если hv ≥ А, то электрон может совершить работу выхода и вырваться из металла. В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна
Это уравнение впервые было предложено Эйнштейном и называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Оно с успехом объясняет сформулированные выше законы фотоэффекта для небольших интенсивностей света.
Читайте также: