Фотоэффект

Физика > Фотоэлектрический эффект

 

Рассмотрите явление и законы фотоэлектрического эффекта Эйнштейна: энергетический запас фотонов, квантовая природа света и электронов, явление фотоэффекта.

Электроны появляются из вещества, впитывающего энергию в электромагнитных лучах, что вызывает фотоэффект.

Задача обучения

• Разобраться, как Альберту Эйнштейну удалось решить парадокс фотоэлектрического эффекта.

Основные пункты

• Излучаемая электронами энергия основывается исключительно на частоте поступающегося света, а не на его интенсивности.
• Эйнштейн разобрался в фотоэлектрическом эффекте, охарактеризовав свет с позиции дискретных частичек.
• Дальнейшие исследования помогли разобраться в квантовой природе света и электронов, что привело к двойственности волновых частиц.

Термины

• Излучение черного тела – разновидность ЭМ-излучения внутри или вокруг тела, пребывающего в термодинамическом балансе с окружающей средой.
• Фотоэлектрон – испускаемые веществом электроны, поглощающие энергию от ЭМ-лучей.
• Двойственность волновых частичек – все частички обладают характеристиками волн и частиц.

Когда свет влияет на поверхность вещества, то оно выпускает электроны. Это именуют

фотоэлектрическим эффектом, а электроны – фотоэлектронами.

Электроны исходят от вещества, поглощенного светом

Чтобы создать фотоэлектрический эффект, нужны фотоны с энергетическим запасом от нескольких электронвольт до 1 МэВ. Его исследование привело к лучшему пониманию квантовой природы света и электронов, а также оказало влияние на создание концепции двойственности волновых частичек. Этот эффект также широко применяется для изучения энергетических уровней электронов в веществе.

В 1887 году Генрих Герц стал первым, кому удалось выявить фотоэффект. Тогда электроны еще не были известны, но Герц заметил, что при освещении ультрафиолетовым светом металла формируется электрический ток. В начале 20-го века физики подтвердили, что:

• энергия отдельных фотоэлектронов растет с частотой, но не связана с интенсивностью.
• фотоэлектрический ток определялся световой интенсивностью.

Эти выводы стали настоящим открытием для многих физиков. Тогда свет воспринимали в качестве волнового феномена. Переносимая волной энергия должна основываться исключительно на амплитуде, поэтому частотная зависимости энергии просто не имеет смысла.

В 1905 году решение нашел Альберт Эйнштейн. Он просто описал свет как нечто, представленное дискретными квантами (фотоны), а не непрерывными волнами. За основу взял теорию излучения черного тела Макса Планка и предположил, что в каждом кванте энергия будет приравниваться к частоте, умноженной на постоянную Планка. С увеличением частоты каждый фотон переносит больше энергии, а значит растет энергия каждого выходящего фотоэлектрона.

Максимальная энергия выброшенного электрона: K_max = hf – φ (h – постоянная Планка, f – частота поступающего фотона). Термин φ – рабочая функция. Это минимальная энергия, которая нужна для устранения электрона с поверхности металла. Функция работы: φ = hf₀ (f₀ – пороговая частота металла для начала фотоэффекта).

Свет состоит из частиц или волн? Опыт Юнга с щелями показал, что мы сталкиваемся с волной, но фотоэлектрический эффект указывает на частички. Проблему решил Бройль: свет обладает свойствами частиц и волн.

---