Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) — это физический процесс, в котором электроны взаимодействуют со светом или любым другим электромагнитным излучением. В этой статье вы узнаете о физических основах фотоэлектрического эффекта. Мы также объясним три вида этого явления и два экспериментальных метода его обнаружения.
Фотоэлектрическое явление — один из тех эффектов, открытие которого стало результатом упорного труда и многочасовых лабораторных исследований многих ученых. До того как Альберт Эйнштейн объяснил этот эффект, введя понятие квантов, то есть порций энергии, многие исследователи, среди которых были Генрих Герц и Александр Столетов, тщательно изучали различные аспекты этого явления. По всей вероятности, никто из них не предполагал, какое практическое значение будет иметь их работа.
Простое объяснение фотоэффекта
Атомы или молекулы содержат связанные электроны. Когда свет попадает на молекулы или отдельные атомы, при определенных условиях возможно взаимодействие электронов со светом. Чтобы понять фотоэлектрический эффект, мы представляем свет как частицу (называемую фотоном). Фотон обладает энергией E, которую можно вычислить по частоте f света: E = h * f .
Здесь h — постоянная Планка. Эта энергия поглощается электроном. Вы можете представить этот перенос энергии как поглощение фотона электроном. Минимальная энергия, которую электроны должны поглотить, является их энергией связи, или, более точно, работой выхода WA. Только после этого электрон может освободиться от атома или металла. Высвобожденные электроны могут быть измерены в виде электрического тока.
Виды фотоэффекта
Существует три различных разновидности фотоэлектрического эффекта, с которыми мы познакомим вас далее.
Внешний фотоэффект
Внешний фотоэлектрический эффект — это явление эмиссии электронов из металла под воздействием падающего электромагнитного излучения. Механизм явления заключается в том, что фотоны излучения передают свою энергию электронам, что приводит к их эмиссии за пределы металла. Максимальная кинетическая энергия электрона равна энергии фотона минус работа выхода. Работа выхода — это энергия связи электрона в металле, обычно порядка нескольких электрон-вольт.
Более подробное объяснение.
Когда фотоны попадают в металл или полупроводник, они передают свою энергию электронам. Часть энергии необходима для того, чтобы освободить электроны от атомной связи и позволить им уйти с поверхности металла (работа выхода WA). Это взаимодействие называется внешним фотоэлектрическим эффектом. Остаточная энергия служит для ускорения электронов. Энергетическое соотношение следующее: h * f = Ekin + WA , где
где Ekin — это кинетическая энергия высвобожденных электронов. Поэтому кинетическая энергия фотоэлектрона описывается формулой: Ekin = h * f — WA
Мы видим, что должна существовать граничная частота fгр, выше которой электроны вообще не могут быть освобождены. Это следует из уравнения: h * fгр = WA и зависит от материала. Работа выхода для металлов обычно составляет несколько эВ.
Альберт Эйнштейн изучил внешний фотоэлектрический эффект с помощью квантования света. Таким образом, внешний фотоэлектрический эффект представляет собой важную веху в развитии квантовой механики.
Внутренний фотоэффект
Внутренний фотоэлектрический эффект также основан на передаче энергии фотонов электронам. Однако они не покидают материал, в котором находятся, а изменяют электронную оболочку в атоме. Это может привести к изменению проводимости материала и, следовательно, протеканию электрического тока.
Более подробное объяснение.
Внутренний фотоэффект возникает в полупроводниках — материалах, электропроводность которых меньше, чем у проводников, и больше, чем у изоляторов. Чтобы лучше понять его механизм, давайте вспомним зонную теорию проводимости. Электронные энергетические уровни в полупроводниках относятся к двум группам — валентной зоне и зоне проводимости. Эти зоны энергетически разделены возбужденной областью. Электроны с энергией в валентной зоне связаны в атомах и не участвуют в протекании электрического тока. Электроны с энергией, принадлежащей зоне проводимости, свободны и могут двигаться под действием приложенного напряжения, т.е. проводить электрический ток.
Изменение энергии электрона от энергии валентной зоны до энергии зоны проводимости при поглощении энергии фотона электромагнитного излучения называется внутренним фотоэлектрическим эффектом.
В результате полоса проводимости обогащается свободным носителем отрицательного заряда — электроном, а валентная зона обогащается электронной дыркой, т.е. вакансией, оставленной электроном, которая также участвует в протекании электрического тока. Это увеличивает проводимость материала.
Для того чтобы электроны поднялись в полосу проводимости, энергия облученного света должна быть больше, чем ширина запрещённой зоны Egap : h * f > Egap . Ширина запрещённой зоны относится к разности энергий между валентной зоной и зоной проводимости.
Полупроводник, состоящий из одного чистого материала, называется собственным полупроводником. В таких материалах число отрицательных носителей заряда в зоне проводимости — электронов — равно числу положительных зарядов в валентной зоне — дырок. На практике, однако, часто используются легированные полупроводники, т.е. обогащенные небольшим количеством другого материала. В зависимости от типа легирующего элемента различают два типа полупроводников: n-типа и p-типа. В полупроводнике p-типа преобладают дырки. Важно помнить, что речь идет только о носителях заряда, участвующих в проведении электричества, весь кристалл электрически нейтрален.
Внутренний фотоэффект также имеет место в солнечных батареях. Когда свет попадает на пограничный слой солнечного элемента (очень тонкая область на поверхности с электрическим полем), электроны высвобождаются из кристаллической связи и движутся в электрическом поле. Этот электрический ток может быть воспринят потребителем и вызывает фотонапряжение.
Молекулярный фотоэффект / атомный фотоэффект
Если облученные фотоны высвобождают электрон из отдельных атомов или молекул, они электрически заряжаются или ионизируются недостающим электроном. Это называется фотоионизацией и наблюдается, например, с помощью рентгеновских лучей. Для молекулярного фотоэлектрического эффекта требуется гораздо более высокочастотный свет, поскольку электроны прочно связаны в атомах.
Формула фотоэлектрического эффекта
Мы используем следующее соотношение для расчета физических величин: h * f = Ekin + WA
Если свет обладает энергией, достаточной для выброса электронов, мы можем вычислить граничную частоту по следующей формуле: fгр = WA / h .
Используя формулу для кинетической энергии, мы определяем скорость освобожденных электронов по формуле:
Методы обнаружения фотоэффекта
Далее мы покажем вам два метода обнаружения фотоэлектрического эффекта и, следовательно, выхода электронов.
Метод встречного поля
В методе встречного поля металлический катод облучается монохроматическим светом с частотой f. Без приложенного напряжения можно обнаружить фототок. Если приложить противодействующее напряжение UG так, чтобы катод был заряжен положительно, а анод — отрицательно, то электроны, высвобождаемые внешним фотоэлектрическим эффектом, замедляются. Необходимая для этого работа: W = e * UG .
Если напряжение настолько велико, что электроны не достигают анода, то применяется следующее соотношение: Ekin = e * UG .
Встречное поле полностью компенсирует кинетическую энергию электронов. Из этой зависимости мы можем определить скорость электронов. Метод встречного поля также дает нам возможность определить постоянную Планка h. При известной работе выхода, h можно найти из уравнения: h * f = e * UG + WA
Стержень с фотоэффектом
Мы можем воспроизвести фотоэлектрический эффект в эксперименте со стержнем из ПВХ и металлической пластиной, подключенной к электрометру. Если стержень отрицательно заряжен в результате трения, то он имеет избыток электронов. Металлическая пластина нейтральна, электрометр не отклоняется.
Если привести стержень в контакт с пластиной, то избыточный заряд в стержне уравновесится. В результате на пластине появляется избыток электронов, и электрометр показывает отрицательное значение.
Если облучать металлическую пластину лампой с парами ртути, электрометр становится положительным. Электроны высвобождаются из пластины под действием внешнего фотоэлектрического эффекта. В металлической пластине не хватает электронов.
Применение фотоэффекта
Сегодня внешний и внутренний фотоэлектрический эффект лежат в основе таких распространенных устройств, как фотоэлементы, солнечные батареи или ПЗС-матрицы.
Фотоэлемент.
Наиболее распространенным устройством, использующим внешнее фотоэлектрическое явление, является фотоэлемент. Первые фотоэлементы были разработаны еще в 1890-х годах и начали широко использоваться в первой половине 20-го века. Простейший фотоэлемент состоит из двух электродов, катода и анода, помещенных в вакуумную колбу.
Между электродами прикладывается напряжение так, чтобы катод был соединен с положительным полюсом питающего напряжения. Если электромагнитное излучение не попадает на катод, электрический ток в цепи не течет. Когда катод освещается излучением с энергией фотонов, превышающей работу выхода материала катода, электроны выбиваются из катода и мигрируют к аноду, вызывая протекание электрического тока. Освещенный фотоэлемент проводит электрический ток.
Схемы, содержащие фотоэлемент, могут использоваться, например, для освещения уличных фонарей. Лампы загораются в сумерках. Механизм, заставляющий их светиться, реагирует на отсутствие света, то есть на прекращение протекания электрического тока в цепи, содержащей фотоэлемент. Пример такой схемы представлен на рис. 6.
Освещенный фотоэлемент проводит электрический ток. В цепи находится электромагнит. Если через электромагнит проходит электрический ток, создаваемое магнитное поле притягивает рычаг выключателя, размыкая цепь лампы, и лампа выключается. Когда свет прерывается, электрический ток в цепи фотоэлемента прекращается, электромагнит выключается, цепь лампы замыкается, и лампа окончательно зажигается.
Фотоэлектронный умножитель.
Фотоумножители — это устройства, используемые для измерения света. Чаще всего они подключаются к сцинтиллятору, который представляет собой материал, поглощающий ионизирующее излучение (например, гамма- или бета-излучение) и испускающий видимый или ультрафиолетовый свет. Излучаемый свет поглощается фотоумножителем и преобразуется в электрический сигнал.
Сцинтиллятор в сочетании с фотоумножителем представляет собой детектор ионизирующего излучения, т.е. устройство, которое поглощает ионизирующее излучение и генерирует электрический сигнал в зависимости от поглощенного излучения.
Устройство фотоумножителя очень похоже на устройство вакуумного фотоэлемента. Его важнейшими элементами являются фотокатод, где происходит внешний фотоэлектрический эффект, и анод, где накапливается заряд. Кроме того, в области между катодом и анодом находится ряд электродов, задача которых — усилить заряд, то есть увеличить количество электронов, попадающих на анод. Эти электроды называются динодами. Все три типа электродов помещаются в сильное электрическое поле. Механизм работы фотоумножителя показан на рис. 8.
Фотоны света, испускаемые сцинтиллятором, достигают фотокатода, вызывая эмиссию электрона под действием внешнего фотоэлектрического явления. Электрон ускоряется в электрическом поле, что приводит к увеличению его кинетической энергии.
При столкновении с динодом электрон вызывает испускание нескольких вторичных электронов, которые также ускоряются и также умножаются при столкновении с другим динодом. Количество электронов увеличивается экспоненциально, так что конечный электрический сигнал, достигающий анода, может быть измерен.
Фотоумножители характеризуются высокой чувствительностью. Это означает, что их можно использовать для измерения света очень низкой интенсивности. В этом отношении они явно превосходят ПЗС-матрицы.
Фотоэлектрический (солнечный элемент).
Фотоэлектрический элемент — это устройство, в котором энергия фотона света преобразуется в электрическую энергию.
В солнечных батареях используются p-n-переходы. Фотоны, падающие на границу раздела полупроводников, вызывают выбивание электронов из валентного слоя в слой проводимости, т.е. образуется электронно-дырочная пара. Из-за пространственного распределения зарядов на p-n-переходе электроны диффундируют к полупроводнику n-типа, а дырки диффундируют к полупроводнику p-типа и остаются там. Накопление заряда создает разность потенциалов на границе раздела, т.е. электрическое напряжение. В этом процессе энергия солнечного света напрямую преобразуется в электрическую энергию. Поэтому он является отличным источником электрической энергии. Однако стоит помнить, что для хранения электрической энергии требуются батареи.
ПЗС-матрица.
ПЗС-матрица — это светочувствительный элемент, который вытеснил традиционную фотопленку, открыв путь к созданию и распространению цифровой фотографии. Матрица состоит из множества полупроводниковых пикселей размером около десятка квадратных миллиметров. Свет, падающий на полупроводниковый пиксель, приводит к выбиванию электрона из валентной зоны. На каждый пиксель наносится электрод для сбора и хранения заряда.
Размер заряда зависит от интенсивности света, освещающего пиксель. Сама ПЗС-матрица не различает цвета. Эта функция реализуется с помощью цветовых фильтров с тремя основными цветами — красным, зеленым и синим. Важным параметром для ПЗС является их квантовая эффективность, которая определяет, какой процент падающего света улавливается. Современные матрицы имеют квантовую эффективность 70%, что более чем в 10 раз выше, чем у традиционной фотопленки.
Пример задачи по фотоэффекту
Мы облучаем вольфрамовую пластину (работа выхода WA = 4,6 эВ) монохроматическим светом с частотой f = 6,75 * 1015 Гц. Мы хотим узнать, достаточно ли энергии света для высвобождения электронов из пластины?
Для этого мы вычисляем граничную частоту:
fгр = WA / h = 4,6 эВ / 6,626 * 10⁻³⁴ Дж*с = 7,37 * 10-19 Дж / 6,626 * 10⁻³⁴ Дж*с = 1,11 * 1015 Гц
Частота облучаемого света превышает это значение. Поэтому электроны высвобождаются в результате фотоэлектрического эффекта. Скорость этих электронов составляет:
Список использованной литературы
- Ворончев Т. А., Соболев В. Д. Физические основы электровакуумной техники. — М.: Высшая школа, 1967. — с. 217—220
- Тауц Я. Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках. — М.: ИЛ, 1962. — С. 141.
- Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.
- Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 422 – 429.
- Рывкин С. М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. — М.: Физматлит, 1963. — 494 с.
Начало теории электромагнитной природы света заложил Максвелл, который заметил сходство в скоростях распространения электромагнитных и световых волн. Но согласно электродинамической теории Максвелла любое тело, излучающее электромагнитные волны, должно в итоге остынуть до абсолютного нуля. В действительности этого не происходит. Противоречия между теорией и опытными наблюдениями были разрешены в начале XX века, вскоре после того, как был открыт фотоэффект.
Что такое фотоэффект
Фотоэффект — испускание электронов из вещества под действием падающего на него света.
Александр Столетов
Явление фотоэффекта было открыто в 1887 году Генрихом Герцем. Фотоэффект также был подробно изучен русским физиком Александром Столетовым в период с 1888 до 1890 годы. Этому явлению он посвятил 6 научных работ.
Для наблюдения фотоэффекта нужно провести опыт. Для этого понадобится электрометр и подсоединенная к нему пластинка из цинка (см. рисунок ниже). Если дать пластинке положительный заряд, то при ее освещении электрической дугой скорость разрядки электрометра не изменится. Но если цинковую пластинку зарядить отрицательно, то свет от дуги заставить электрометр разрядиться очень быстро.
Наблюдаемое во время этого эксперимента явление имеет простое объяснение. Свет вырывает электроны с поверхности цинковой пластинки. Если она имеет отрицательный заряд, электроны отталкиваются от нее, что приводит к полному разряжению электрометра. Причем при повышении интенсивности освещения скорость разрядки увеличивается, ровно, как и наоборот: при уменьшении интенсивности освещения электрометр разряжается медленно. Если же зарядить пластинку положительно, то электроны, которые вырываются светом, притягиваются к ней. Поэтому они оседают на ней, не изменяя заряд электрометра.
Если между световым пучком и отрицательно заряженной пластиной поставить лист стекла, пластинка перестанет терять электроны независимо от интенсивности излучения. Это связано с тем, что стекло задерживает ультрафиолетовое излучение. Отсюда можно сделать следующий вывод:
Явление фотоэффекта может вызвать только ультрафиолетовый участок спектра.
Волновая теория света не может объяснить, почему электроны могут вырываться только под действием ультрафиолета. Ведь даже при большой амплитуде и силе волн электроны остаются на месте, когда, казалось бы, они должны непременно быть вырванными.
Законы фотоэффекта
Чтобы получить более полное представление о фотоэффекте, выясним, от чего зависит количество электронов, вырванных светом с поверхности вещества, а также, от чего зависит их скорость, или кинетическая энергия. Выяснить все это нам помогут эксперименты.
Первый закон фотоэффекта
Возьмем стеклянный баллон и выкачаем из него воздух (смотрите рисунок выше). Затем поместим в него два электрода. На электроды подадим напряжение и будем регулировать его с помощью потенциометра и измерять при помощи вольтметра.
В верхней части нашего баллона есть небольшое кварцевое окошко, которое пропускает весь свет, в том числе ультрафиолетовый. Через него падает свет на один из электродов (в нашем случае на левый электрод, к которому присоединен отрицательный полюс батареи). Мы увидим, что под действием света этот электрод начнет испускать электроны, которые при движении в электрическом поле будут создавать электрический ток. Вырванные электроны будут направляться ко второму электроду. Но если напряжение небольшое, второго электрода достигнут не все электроны. Если интенсивность излучения сохранить, но увеличить между электродами разность потенциалов, то сила тока будет увеличиваться. Но как только она достигнет некоторого максимального значения, рост силы тока при дальнейшем увеличении напряжения прекратится. Максимальное значение силы тока будем называть током насыщения.
Ток насыщения — максимальное значение силы тока, также называемое предельным значением силы фототока.
Ток насыщения обозначается как Iн. Единица измерения — А (Кл/с). Численно величина равна отношению суммарному заряду вырванных электронов в единицу времени:
Iн=qt
Если же мы начнем изменять интенсивность излучения, то сможем заметить, что фототок насыщения также начинается меняться. Если интенсивность излучения ослабить, максимальное значение силы тока уменьшится. Если интенсивность светового потока увеличить, ток насыщения примет большее значение. Отсюда можно сделать вывод, который называют первым законом фотоэффекта.
Первый закон фотоэффекта:
Число электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. Иными словами, фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку Ф.
Второй закон фотоэффекта
Теперь произведем измерения кинетической энергии, то есть, скорости вырывания электронов. Взгляните на график, представленный ниже. Видно, что сила фототока выше нуля даже при нулевом напряжении. Это говорит о том, что даже при нулевой разности потенциалов часть электронов достигает второго электрода.
Если мы поменяем полярность батареи, то будем наблюдать уменьшение силы тока. Если подать на электроды некоторое значение напряжения, равное Uз, сила тока станет равно нулю. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны, останавливает их, а затем возвращает на тот же электрод.
Напряжение, равное Uз, называют задерживающим напряжением. Оно зависит зависит от максимальной кинетической энергии электронов, которые вырываются под действием света. Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической, можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов. Оно будет равно:
mv22=eUз
Опыт показывает, что при изменении интенсивности света (плотности потока излучения) задерживающее напряжение не меняется. Значит, не меняется кинетическая энергия электронов. С точки зрения волновой теории света этот факт непонятен. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со стороны электромагнитного поля световой волны и тем большая энергия, казалось бы, должна передаваться электронам. Но экспериментальным путем мы обнаруживаем, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты света. Отсюда мы можем сделать вывод, являющийся вторым законом фотоэффекта.
Второй закон фотоэффекта:
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности.
Причем, если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты νmin, фотоэффект наблюдаться не будет.
Теория фотоэффекта
Все попытки объяснить явление фотоэффекта электродинамической теорией Максвелла, согласно которой свет — это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались тщетными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему свет способен вырывать электроны лишь при достаточно малой длине волны.
В попытках объяснить это явление физик Макс Планк предложил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами, или фотонами. И энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:
E=hν
h — коэффициент пропорциональности, который получил название постоянной Планка. Она равна 6,63∙10–34 Дж∙с.
Пример №1. Определите энергию фотона, соответствующую длине волны λ = 5∙10–7 м.
Энергия фотона равна:
E=hν
Выразим частоту фотона через скорость света:
ν=cλ
Следовательно:
Идею Планка продолжил развивать Эйнштейн, которому удалось дать объяснение фотоэффекту в 1905 году. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями. Причем энергия Е каждой порции излучения, по его расчетам, полностью соответствовала гипотезе Планка.
Из того, что свет излучается порциями, еще не вытекает вывода о прерывистости структуры самого света. Ведь и воду продают в бутылках, но отсюда не следует, что вода состоит из неделимых частиц. Лишь фотоэффект позволил доказать прерывистую структуру света: излученная порция световой энергии Е = hν сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.
Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, используя закон сохранения энергии. Энергия порции света hν идет на совершение работы выхода А и на сообщение электрону кинетической энергии. Отсюда:
hν=A+mv22
Работа выхода — минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.
Полученное выражение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии hν в пучке света и поэтому определяет количество вырванных электронов. Скорость же электронов согласно зависит только от частоты света и работы выхода, которая определяется типом металла и состоянием его поверхности. От интенсивности освещения кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит.
Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь при освещении его светом с минимальной частотой волны νmin. Это объясняется тем, что для вырывания электрона без сообщения ему скорости нужно выполнять как минимум работу выхода. Поэтому энергия кванта должна быть больше этой работы:
hν>A
Предельную частоту νmin называют красной границей фотоэффекта. При этой частоте фотоэффект уже наблюдается.
Красная граница фотоэффекта равна:
νmin=Ah
Минимальной частоте, при которой возможен фотоэффект для данного вещества, соответствует максимальная длина волны, которая также носит название красной границы фотоэффекта. Это такая длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. Обозначается она как λmах или λкр.
Максимальная длина волны, при которой еще наблюдается фотоэффект, равна:
λmax=hcA
Работа выхода А определяется родом вещества. Поэтому и предельная частота vmin фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна. Отсюда вытекает еще один закон фотоэффекта.
Третий закон фотоэффекта:
Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах волн фотоэффекта нет.
Вспомните опыт, который мы описали в самом начале. Когда между цинковой пластинкой и световым пучком мы поставили зеркало, фотоэффект был прекращен. Это связано с тем, что красная граница для цинка определяется величиной λmах = 3,7 ∙ 10-7 м. Эта длина волны соответствует ультрафиолетовому излучению, которое не пропускало стекло.
Пример №2. Чему равна красная граница фотоэффекта νmin, если работа выхода электрона из металла равна A = 3,3∙10–19 Дж?
Применим формулу для вычисления красной границы фотоэффекта:
Задание EF15717
При увеличении в 2 раза частоты света, падающего на поверхность металла, задерживающее напряжение для фотоэлектронов увеличилось в 3 раза. Первоначальная частота падающего света была равна 0,75 ⋅1015 Гц. Какова длина волны, соответствующая «красной границе» фотоэффекта для этого металла? Ответ записать в нм.
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные.
2.Записать формулу закона сохранения энергии применительно к фотоэффекту.
3.Переписать формулу закона сохранения энергии применительно к опытам 1 и 2.
4.Используя формула, связывающую задерживающее напряжение и кинетическую энергию фотона, определить работу выхода.
5.Записать формулу для красной границы фотоэффекта.
6.Выполнить решение в общем виде.
7.Подставить известные данные и найти искомую величину.
Решение
Запишем исходные данные:
• Частота света в опыте 1: ν1 = ν = 0,75∙1015 Гц.
• Частота света в опыте 2: ν2 = 2ν1 = 2ν Гц.
• Задерживающее напряжение в опыте 1: U1 = U В.
• Задерживающее напряжение в опыте 2: U2 = 3U1 = 3U В.
Запишем формулу закона сохранения энергии:
hν=A+mv22
Применим ее к 1 и 2 опыту, составив систему из двух уравнений:
⎧⎪⎨⎪⎩hν1=A+mv212hν2=A+mv222
Преобразуем:
⎧⎪⎨⎪⎩hν=A+mv2122hν=A+mv222
Формула, связывающая задерживающее напряжение и кинетическую энергию фотона:
mv22=eUз
Известно, что при увеличении частоты в 2 раза задерживающее напряжение увеличилось в 3 раза. Так как задерживающее напряжение прямо пропорционально кинетической энергии фотона, то она (кинетическая энергия), также увеличивается в 3 раза. Следовательно:
mv222=3mv212
Тогда:
⎧⎪⎨⎪⎩hν=A+mv2122hν=A+3mv212
Умножим первое уравнение системы на «–3» и сложим оба уравнения:
⎧⎪⎨⎪⎩−3hν=−3A−3mv2122hν=A+3mv212
−hν=−2A
Отсюда работа выхода равна:
A=hν2
Формула для нахождения красной границы фотоэффекта:
νmin=Ah
Формула длины волны:
λ=cν
Следовательно, длина волны для красной границы фотоэффекта:
λmin=cνmin=chA=2chhν=2cν
Ответ: 800
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF17645
При исследовании зависимости кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света фотоэлемент освещался через светофильтры. В первой серии опытов использовался красный светофильтр, а во второй – жёлтый. В каждом опыте измеряли напряжение запирания.
Как изменяются длина световой волны, напряжение запирания и кинетическая энергия фотоэлектронов? Для каждой величины определите соответствующий характер её изменения:
| 1) | увеличится |
| 2) | уменьшится |
| 3) | не изменится |
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждого ответа. Цифры в ответе могут повторяться.
Алгоритм решения
1.Определить, от чего зависит и как меняется длина световой волны.
2.Записать закон сохранения энергии, формулу зависимости кинетической энергии от напряжения запирания.
3.Используя формулы, становить, как меняется напряжение запирания и кинетическая энергия.
Решение
Длина световой волны определяется ее цветом. Красный свет имеет большую длину волны. Следовательно, во втором опыте длина световой волны уменьшится.
Закон сохранения энергии для фотоэффекта:
hν=A+mv22
Формула зависимости кинетической энергии от напряжения запирания:
mv22=eUз
Следовательно:
hν=A+eUз
Работы выхода — величина постоянная для данного вещества. Следовательно, напряжение запирания зависит только от частоты световой волны. Частота — величина обратная длине волны. Так как длина волны уменьшилась, частота увеличилась. Следовательно, увеличилось и напряжение запирания.
Поскольку напряжение запирания прямо пропорционально кинетической энергии фотонов, то эта энергия также увеличивается.
Ответ: 211
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF17973
На металлическую пластинку падает монохроматическая электромагнитная волна, выбивающая электроны из пластинки. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, вылетевших из пластинки в результате фотоэффекта, составляет 3 эВ, а работа выхода из металла в 2 раза больше этой энергии. Чему равна энергия фотонов в падающей волне?
Ответ:
а) 9 эВ
б) 2 эВ
в) 3 эВ
г) 6 эВ
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные.
2.Записать формулу закона сохранения энергии применительно к фотоэффекту.
3.Выполнить решение в общем виде.
4.Подставить известные данные и найти искомую величину.
Решение
Запишем исходные данные:
• Максимальная кинетическая энергия выбитых электронов: Emax = 3 эВ.
• Работа выхода из металла: A = 2 Emax.
Закона сохранения энергии для фотоэффекта:
hν=A+mv22
Или:
E=A+Emax=2Emax+Emax=3Emax=3·3=9 (эВ)
Ответ: а
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Алиса Никитина | Просмотров: 5.4k
Содержание:
Фотоэффект:
Рассмотрим фотоэффект с точки зрения классической электродинамики.
На основе волновой теории света можно предположить, что:
- – свет любой длины волны должен вырывать электроны из металла;
- – на вырывание электрона из металла требуется определенное время;
- – число вырванных электронов и их энергия должны быть пропорциональны интенсивности света.
Александр Григорьевич Столетов (1839–1896) – русский физик. Исследовал внешний фотоэффект, открыл первый закон фотоэффекта. Исследовал газовый разряд, критическое состояние, получил кривую намагничивания железа.
Современная установка для исследования фотоэффекта
Современная установка для изучения фотоэффекта представляет собой два электрода, помещенных в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух (рис. 210). На один из электродов через кварцевое «окошко» падает свет. В отличие от обычного стекла кварц пропускает ультрафиолетовое излучение. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра R и измерять вольтметром V. К освещаемому электроду К − катоду подсоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света катод испускает электроны, которые направляются электрическим полем к аноду, создается электрический ток. Значение силы тока фиксируется миллиамперметром.
Законы фотоэффекта Столетова
Исследования, проведенные русским ученым А.Г. Столетовым и немецким ученым Ф. Ленардом, показали, что законы фотоэффекта не соответствуют классическим представлениям.
На рисунке 211 представлена вольтамперная характеристика, полученная в результате измерений при различных значениях напряжения между электродами.
Из графика следует, что:
1. Сила фототока не зависит от напряжения, если оно достигает некоторого значения 
Максимальное значение силы тока 
называют током насыщения.
Сила тока насыщения − это максимальный заряд, переносимый фотоэлектронами за единицу времени:
где n − число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности освещаемого металла за 1 с, е − заряд электрона.
2. Сила фототока отлична от нуля при нулевом значении напряжения.
3. Если изменить направление электрического поля, соединив катод с положительным полюсом источника тока, а анод − с отрицательным, то скорость фотоэлектронов уменьшится, об этом можно судить по показаниям миллиамперметра: сила тока уменьшается при увеличении отрицательного значения напряжения. При некотором значении напряжения 
который называют задерживающим напряжением, фототок прекращается. Согласно теореме об изменении кинетической энергии, работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:
При известном значении можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.
Исследование фотоэффекта при освещении катода световыми потоками равной частоты, но различной интенсивности дал результат, представленный вольтамперными характеристиками, изображенными на рисунке 212.
Сила фототока насыщения увеличивается с увеличением интенсивности падающего света.
Вспомните! Фотоэффект – это испускание электронов веществом под действием света или любого другого электромагнитного излучения.
Величина запирающего напряжения от интенсивности света не зависит, для всех потоков она имеет одно и то же значение.
Освещение катода светом одной и той же интенсивности, но разной частоты дало серию вольтамперных характеристик, представленных на рисунке 213. Как следует из графиков, величина задерживающего напряжения 
увеличивается с увеличением частоты падающего света, при уменьшении частоты падающего света уменьшается, и при некоторой частоте 
задерживающее напряжение равно нулю: 
При меньших частотах 
фотоэффект не наблюдается.
Минимальную частоту падающего света 
, при которой еще возможен фотоэффект, называют красной границей фотоэффекта.
На основании экспериментальных данных Столетовым были сформулированы законы фотоэффекта:
- Сила фототока прямо пропорциональна интенсивности светового потока.
- Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности.
- Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света
(максимальная длина ), при которой возможен фотоэффект, если то фотоэффект не происходит.
(максимальная длина 
), при которой возможен фотоэффект, если 
то фотоэффект не происходит.- Заказать решение задач по физике
Квантовая теория фотоэффекта
Теоретическое обоснование фотоэффекта было дано в 1905 г. А. Эйнштейном. Он предположил, что свет не только излучается квантами, как утверждал М. Планк, но и распространяется и поглощается порциями, представляет собой поток частиц − фотонов, энергия которых равна 
Сам фотоэффект состоит в том, что световые частицы, сталкиваясь с электронами металла, передают им свою энергию и импульс и сами при этом исчезают. Если энергия квантов падающего света больше той работы, которую электрон должен совершить против сил притяжения к положительно заряженным частицам вещества, то электрон вылетает из металла. Становится понятным смысл красной границы фотоэффекта: для вырывания электрона из металла энергия квантов должна быть не меньше, чем 
Эта энергия и равна работе выхода электрона из данного металла. В случае, когда энергия падающих квантов больше работы выхода, максимальная кинетическая энергия электронов равна разности энергии фотона и работы выхода:
Это и есть формула Эйнштейна для фотоэффекта. Обычно ее пишут в виде:
Зависимость силы фототока от интенсивности света Эйнштейн объяснил следующим образом: число вылетающих в единицу времени электронов пропорционально интенсивности света, поскольку интенсивность определяется числом квантов, испускаемых источником в единицу времени. Мощная лампа испускает больше квантов, следовательно, число вырванных электронов светом такой лампы будет больше, чем светом менее мощной лампы.
Энергия вылетающих электронов зависит не от силы света лампы, а от того, какой частоты свет она испускает, от этого зависит энергия фотона и кинетическая энергия фотоэлектрона.
Фотоны, энергия, масса и импульс фотона
Фотон – это частица света. Он не делится на части: испускается, отражается, преломляется и поглощается целым квантом. У него нет массы покоя, неподвижных фотонов не существует.
Энергия фотона
− постоянная Планка, 
циклическая частота.
Масса фотона
Массу фотона определяют, исходя из закона о взаимосвязи массы и энергии:
Измерить массу фотона невозможно, ее следует рассматривать как полевую массу, обусловленную тем, что электромагнитное поле обладает энергией.
Импульс фотона
Фотон – частица света, следовательно, ее импульс равен:
Применение фотоэффекта в технике
Фотоэлементы:
Приборы, принцип действия которых основан на явлении фотоэффекта, называют фотоэлементами. Устройство фотоэлемента изображено на рисунке 214. Внутренняя поверхность К (катод) стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, покрыта светочувствительным слоем с небольшим прозрачным для света участком для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое кольцо А (анод). От электродов сделаны выводы для подключения фотоэлемента к электрической цепи. В качестве светочувствительного слоя обычно используют напыленные покрытия из щелочных металлов, имеющих малую работу выхода, т.е. чувствительных к видимому свету.
Фотоэлементы используют для автоматического управления электрическими цепями с помощью световых пучков.
Фотореле:
Фотоэлектрическое реле срабатывает при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент (рис. 215). Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют полупроводниковый триод, и электромагнитного реле, включенного в цепь коллектора транзистора. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока 
а на транзистор − от источника тока 
Между базой и эмиттером транзистора включен нагрузочный резистор R.
Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор R, идет слабый ток, потенциал базы транзистора выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует.
Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, переход эмиттер – база открывается для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток. Реле срабатывает, и его контакты замыкают исполнительную цепь. Ее функциями могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека, выдвигание преграды в турникете метро, автоматическое включение освещения на улицах.
Пример решения задачи
Определите постоянную Планка h, если известно, что электроны, вырываемые из металла светом с частотой 
Гц, полностью задерживаются разностью потенциалов 
а вырываемые светом с частотой 
− разностью потенциалов 
Дано:
U1 = 6,6 B
U2 = 16,5 B
h – ?
Решение: Запишем уравнение Эйнштейна для электрона, вырванного из металла светом с частотами 
соответственно: 
Вычитая первое равенство из второго, получим 
откуда 
Выполним расчеты: 
Ответ: h = 6,6 · 10–34 Дж · с.
- Оптические явления в природе по физике
- Оптические приборы в физике
- Оптика в физике
- Волновая оптика в физике
- Разложение белого света на цвета и образование цветов
- Давление света в физике
- Химическое действие света
- Корпускулярно-волновая природа света
Условие задачи:
Найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, вырываемых с поверхности цезия фиолетовым светом с длиной волны 410 нм.
Задача №11.2.13 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»
Дано:
(lambda = 410) нм, (E_к-?)
Решение задачи:
Согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта энергия поглощенного кванта (hnu) идет на совершение работы выхода (A_{вых}) и на сообщение кинетической энергии вылетевшему электрону (E_к). Поэтому:
[hnu = {A_{вых}} + {E_к};;;;(1)]
Работа выхода электрона (A_{вых}) из цезия – это табличная величина, равная 2 эВ.
В этой формуле (h) – это постоянная Планка, равная 6,62·10-34 Дж·с.
Частоту колебаний (nu) можно выразить через скорость света (c), которая равна 3·108 м/с, и длину волны (lambda) по следующей формуле:
[nu = frac{c}{lambda};;;;(2)]
Подставим выражение (2) в формулу (1), тогда:
[frac{{hc}}{lambda } = {A_{вых}} + {E_к}]
Откуда искомая максимальная кинетическая энергия электронов (E_к) равна (приведем под общий знаменатель):
[{E_к} = frac{{hc}}{lambda } – {A_{вых}}]
[{E_к} = frac{{hc – {A_{вых}}lambda }}{lambda }]
Посчитаем численный ответ (напоминаем, что 1 эВ = 1,6·10-19 Дж):
[{E_к} = frac{{6,62 cdot {{10}^{ – 34}} cdot 3 cdot {{10}^8} – 2 cdot 1,6 cdot {{10}^{ – 19}} cdot 410 cdot {{10}^{ – 9}}}}{{410 cdot {{10}^{ – 9}}}} = 1,64 cdot {10^{ – 19}};Дж = 1,03;эВ]
Ответ: 1,03 эВ.
Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.
Смотрите также задачи:
11.2.12 Определить максимальную кинетическую энергию электронов, вылетающих из калия
11.2.14 Максимальная кинетическая энергия электронов, вырываемых с поверхности цезия
11.2.15 Какой частоты свет следует направить на поверхность калия, чтобы максимальная скорость
|
В первом приближении она равна энергии падающих квантов света за вычетом работы выхода. Но следует учитывать, что при Т > 0K уровень Ферми размывается, так что небольшая доля электронов будет иметь энергию, превышающую эту величину на ~kT.
Каролина 8 лет назад Если взять уравнение фотоэффекта, можно увидеть, что максимальная кинетическая энергия электрона связана с энергией фотона и работой выхода следующим соотношением:
При подстановке в формулу данных по энергии фотона и работе выхода, можно найти максимальную кинетическую энергию электрона. Знаете ответ? |
