Как найти массу фотоэлектрона

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:

1. Сила фототока прямо пропорциональна интенсивности светового потока.
2. Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности.
3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (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.

Ягма Медицинская физика

Педиатрический
факультет

1 курс

2 Семестр Лекция №

«Элементы квантовой
оптики.

Физика
фотоэффекта»

Составил: Колпаков
В.А.

2004 г.

I. Фотоэффект и его виды. Основные законы внешнего фотоэффекта.

Фотоэффект
представляет собой одну из разновидностей
фотоэлектрических явлений.

Фотоэлектрические
явления —
это
явления взаимного превращения лучистой
и электрической энергии в фотоэлектрической
цепи.

Физически
фотоэффект представляет собой процесс
полного или частичного освобождения
заряженных частиц в веществе при
поглощении им лучистой энергии (фотонов).

B
результате наблюдается:

• Изменение
электропроводности вещества;

• Эмиссия
электронов из вещества;

• Возникновение
фотоэлектродвижущей силы на границе
веществ с разным типом проводимости.

Виды фотоэффекта:

1. Внешний
фотоэффект. Внутренний фотоэффект
изменения проводимости (положительный
и отрицательный).

2. Внутренний
фотогальванический фотоэффект (вентильный
фотоэффект, фотоэффект в запирающем
слое).

3. Фотопьезоэффект.

4. Фотодиэлектрический
эффект.

5. Фотоэлектромагнитный
эффект.

В медицинской
аппаратуре чаще всего используется
внешний внутренний эффект изменения
проводимости и фотоэффект в запирающем
слое.

Внешний
фотоэффект —
это
явление (процесс) эмиссии электронов
из вещества в вакуум или другое вещество
под действием электромагнитного
излучения.

Внутренний
фотоэффект изменения проводимости —
это изменение электрического сопротивления
полупроводника при поглощении им
электромагнитного излучения (фотонов).

Фотогальванический
(вентильный) эффект —
это
явление возникновения фотоэлектродвижущей
силы (фотоЭДС) на границе раздела
полупроводников или других носителей
электрических зарядов электрическим
полем.

Законы внешнего
фотоэффекта и их характеристика.

Внешний
фотоэффект был открыт в 1887 году
ученым Герцем, исследован в 1888-89г
русским физиком Столетовым, и на
основе квантовых представлений объяснен
в 1905 году Эйнштейном. Законов фотоэффекта
три:

1. Закон Столетова.

2. Закон
Эйнштейна-Ленарда.

3. Закон «красной
границы» фотоэффекта.

Закон
Столетова имеет
теоретическую и техническую формулировку.

Теоретическая
формулировка:

Количество
испускаемых электронов пропорционально
плотности падающего на вещество лучистого
потока (облученности) при его неизменном
спектральном составе.

Техническая
формулировка (‘справедлива только для
вакуумных фотоэлектронных приборов,
например, вакуумных фотоэлементов)

Фототок насыщения
прямо пропорционален лучистому потоку
и равен ему при введении коэффициента,
который называется коэффициент
интегральной чувствительности (к
источнику типа А).

Формула закона:

I_н~Ф
= к*Ф

Где
I_Н
— фототек насыщения вакуумного фотоэлемента
(мкА) Ф — лучистый поток (Вт, Лм) к —
коэффициент интегральной чувствительности,
мкА/Вт, мкА/Лм

Для выполнения
закона нужно, чтобы спектральный состав
падающего лучистого потока был неизменным,
напряжение на фотоэлементе должно быть
постоянным. При больших лучистых потоках
закон не соблюдается.

Закон Эйнштейна
— Ленарда

Устанавливает
зависимость между энергиями падающих
фотонов и испускаемых веществом
фотоэлектронов. Закон Эйнштейна
представляет собой частный случай
закона сохранения энергии.

Формулировка
закона:

Максимальная
начальная кинетическая энергия
фотоэлектронов возрастает прямо
пропорционально с частотой падающего
фотоэлектрически активного лучистого
потока и не зависит от его

интенсивности.

Формула закона:

(m_эV_э²/2)_max
~ hv

В
формуле m_э
— масса фотоэлектрона

V_э
—
скорость фотоэлектрона

h
— постоянная Планка

υ
— частота излучения

hυ
— энергия фотонов лучистого потока

Закон «красной
границы» фотоэффекта

Устанавливает
условия возможности фотоэффекта для
данного вещества в зависимости от работы
выхода электронов из данного вещества
и энергии падающих на вещество фотонов
лучистого потока.

Формулировка:

Для каждого вещества
в спектре падающего лучистого потока
существует такая длина волны, за пределами
которой фотоэффект не происходит.

Эта
длина волны
λ0,
и соответствующая ей частота υ₀
называются длинноволновой или «красной»
границей фотоэффекта.

Физически наличие
красной границы фотоэффекта объясняется
тем, что каждое вещество имеет определенное
значение работы выхода фотоэлектронов
Авых.

Каждому
фотону падающего на вещество лучистого
потока соответствует своя энергия hυ,
частота υ
и длина волны λ.

Если работа выхода
электронов из вещества меньше энергии
падающих фотонов, то фотоэффекта не
будет.

Если эта энергия
больше, то фотоэффект осуществим, причем
избыток энергии тратится на кинетическую
энергию фотоэлектронов.

Если работа выхода
фотоэлектронов равна энергии падающих
фотонов, фотоэффект осуществится, но с
нулевой кинетической энергией выбитых
фотоэлектронов.

Данному
соотношению работы выхода и энергии
фотона и соответствует — «красная
граница» фотоэффекта по частоте υ₀

и
длине
волны λ0.

Авых
=
hυ₀
= h_c/
λ0
;
υ₀
= Авых
/ h
; λ0

— h_c
/ Авых

Например,
для калия Авых
⁼
2,01 — 1,74 электрон-Вольта, что соответствует
по длине волны «красной границе»
λ₀
612 — 710 нанометров (нм).

П. Уравнение
Эйнштейна и его применение для объяснения
законов фотоэффекта.

Закон Эйнштейна
на основе квантовых представлений
объясняет законы фотоэффекта, и является
частным случаем закона сохранения
энергии для фотоэлектрических явлений.

В своих теоретических
построениях Эйнштейн исходил из
наблюдения Ленарда, Томсона и Милликена
(1899 — 1900 гг) о зависимости энергии
фотоэлектронов от частоты (но не
интенсивности) падающего лучистого
потока, и гипотезы Планка (1900г) о квантовой
природе излучения энергии веществом.

Эйнштейн ввел
понятие фотона и дополнил учение Планка
тем, что ввел постулат о квантовой
природе не только излучения энергии,
но и ее распространения и поглощения
веществом.

В основе постулата
Эйнштейна три положения:

1. При взаимодействии
с электронами вещества падающие
фотоны полностью поглощаются.

2. Один фотон
взаимодействует только с одним электроном.

3. Один поглощенный
фотон может выбросить только один
фотоэлектрон с некоторой кинетической
энергией.

Формулировка
закона Эйнштейна:

При фотоэффекте
энергия фотона расходуется на работы
выхода электрона из вещества и на его
кинетическую энергию, которая будет
максимальной тогда, когда электрон
испускает с поверхности вещества.

Объяснение
законов фотоэффекта на основе уравнения
Эйнштейна

Объяснение
закона Столетова: С
квантовых
позиций лучистый поток определяется
количеством фотонов, падающих за единицу
времени на поверхность вещества. Фототок
насыщения определяется количеством
испускаемых в единицу времени
фотоэлектронов. Поэтому, в соответствии
с постулатом Эйнштейна, чем больше
лучистый фотонный поток, тем большим
будет фотоэлектронный ток.

Объяснение
закона Эйнштейна: Энергия
падающих фотонов лучистого потока
определяется его частотой. Так как
работа выхода фотоэлектронов для данного
вещества постоянна, то с увеличением
энергии фотонов большая ее часть тратится
на кинетическую энергию выбиваемых
электронов.

Объяснение
закона «красной границы»: С
уменьшением частоты падающего лучистого
потока уменьшается энергия фотонов.
Когда энергия фотона будет равна работе
выхода фотоэлектронов из данного
вещества, они останутся на поверхности
этого вещества с «нулевой» кинетической
энергией. При дальнейшем уменьшении
энергии фотонов фотоэффекта не будет,
так как энергии фотона будет недостаточно
для совершения работы выхода фотоэлектрона
из данного вещества (υ_ф<
υ_min).

III.
Фотоэффект в запирающем слое. Устройство,
принцип работы, особенности селенового
фотоэлемента.

Фотоэффект
в запирающем слое является
разновидностью

внутреннего
фотоэффекта. Он заключается
в
возникновении

фотоэлектродвижущей
силы (фотоЭДС) между
металлом
и

полупроводником
или между полупроводниками
разных
типов проводимости.

Механизм вентельного
фотоэффекта:

Возьмем
металл и полупроводник «n»
— типа при условии, что работы выхода
электронов из полупроводника меньше,
чем из металла.

авых
полупр <
авых
мет

При соприкосновении
металла и полупроводника произойдет
диффузия электронов из полупроводника
в металл через границу контакта и
приконтактный участок полупроводника
вследствие убыли электронов зарядится
положительно по отношению к металлу,
то есть возникнет контактная разность
потенциалов (КПР).

Под действием
лучистой энергии (видимого света,
инфракрасного, ультрафиолетового
излучения, рентгеновских лучей) электроны
полупроводника получат дополнительную
энергию, их подвижность увеличится и,
поэтому, КПР возрастает.

Изменение КПР
происходит пропорционально облученности
контактного слоя и называется
фотоэлектродвижущей силой (фотоЭДС).

____________ — металл

+ + + + + ++ — полупроводник

Если подключить
к металлу и полупроводнику измерительный
прибор, то при освещении контактного
слоя в цепи возникнет электрический
ток, который называется фототек.

Фотоэффект в
запирающем слое лежит в основе работы
селеновых фотоэлементов и солнечных
батарей.

Устройство,
принцип работы и особенности селенового
элемента.

Селеновый элемент
представляет собой круглую или
прямоугольную пластмассовую пластину
(1), на которую напыляется слой селена
(2). На селеновый слой напыляется очень
тонкий, а поэтому прозрачный слой металла
(3). Граница раздела металла и селена
называется запирающим слоем, так как
он пропускает носителя зарядов (электроны)
только в одном направлении.

Так как работа
выхода электронов из селена меньше, чем
из металла, электроны из селена переходят
в металл. При этом селен заряжается
положительно по отношению к металлу,
то есть образуется контактная разность
потенциалов.

При
освещении контактного слоя электроны
селена приобретают дополнительную
энергию, и в большем количестве
перемещаются в металл. Контактная
разность потенциалов, а, следовательно,
и электродвижущая сила возрастают, и
образуют при замыкании цепи между
металлом и селеном электрический
фототек.

Особенности
селенового элемента:

1. Селеновый элемент
является генератором фотоЭДС и тока, и
поэтому не требует источников питания.

2. Зависимость
фототока селенового элемента от
его облученности

линейная, что очень
удобно для измерительных цепей.

3. Кривая спектральной
чувствительности селенового элемента
практически совпадает с кривой
спектральной чувствительности глаза
человека для дневного зрения и поэтому
селеновый элемент реагирует на свет
так же, как человеческий глаз.

По этой причине
селеновый элемент широко используется
в качестве датчиков измерительных
приборов, регистрирующих уровни яркости
и освещенности в гигиене, светотехнике
и фотографии (люксметры, экспонометры).

Соседние файлы в папке Медицинская физика

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Фотоэффект

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: гипотеза М.Планка о квантах, фотоэффект, опыты А.Г.Столетова, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

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.

к оглавлению ▴

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.

к оглавлению ▴

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:

(1)

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.

к оглавлению ▴

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 , 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 : 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.

к оглавлению ▴

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.

к оглавлению ▴

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:

(2)

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:

Дж·с. (3)

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.

к оглавлению ▴

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 :

(4)

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.

Это была необходимая теория. Разберем задачи ЕГЭ по теме «Фотоэффект».

Задача 1. Поток фотонов с энергией 10 эВ выбивает из металла электроны. Какова максимальная кинетическая энергия электронов, если работа выхода электронов с поверхности данного металла равна 6 эВ?

Решение:

Eф = Авых + Ек.

Eк = Eф — Авых = 10 – 6 = 4 эВ.

Ответ: 4.

Задача 2. Когда на металлическую пластину падает электромагнитное излучение с длиной волны , максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна 4,5 эВ. Если длина волны падающего излучения равна ,то максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна 1 эВ. Чему равна работа выхода электронов из металла?

Решение:

Запишем уравнение фотоэффекта для двух случаев:

Домножим второе уравнение на 2 и вычтем из первого уравнения второе:

_________________________________

Ответ: 2,5.

Задача 3. Красная граница фотоэффекта исследуемого металла соответствует длине волны нм. Какова длина волны света, выбивающего из него фотоэлектроны, максимальная кинетическая энергия которых в 2 раза меньше работы выхода?

Решение:

По условию задачи,

Подставим это в уравнение фотоэффекта:

Ответ: 400.

Задача 4. Фотоны с энергией 2,1 эВ вызывают фотоэффект с поверхности цезия, для которого работа выхода равна 1,9 эВ. На сколько нужно уменьшить энергию фотона, чтобы максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшилась в 2 раза?

Решение:

Запишем два уравнения фотоэффекта для двух случаев и учтём, что по условию задачи

Тогда получаем:

Из первого уравнения получаем, что

Тогда из второго уравнения получаем, что

Значит энергию падающих фотонов нужно уменьшить на

Ответ: 0,1.

Задача 5. Работа выхода электронов из металла равна Дж. Задерживающая разность потенциалов для фотоэлектронов, вылетевших с поверхности этого металла под действием излучения с некоторой длиной волны , равна 3 В. Чему будет равна задерживающая разность потенциалов для фотоэлектронов в случае длины волны излучения ?

Решение:

Переведём работу выхода в электронвольты:

Теперь из уравнения фотоэффекта найдём энергию фотонов в первом случае:

Если длину волны увеличить в 2 раза, то энергия фотона уменьшится тоже в 2 раза, так как энергия фотона обратно пропорциональна длине волны. Тогда во втором случае энергия фотона будет равна:

Тогда:

Ответ: 1.

1.энергия фотона Е= h*v, где h-постоянная Планка и v-частота;
E=6,6*10^-34*5*10^14=33*10^-20 Дж; уравнение Эйнштейна E=mc^2, импульс же можно найти как mc, тогда p=E/c=33*10^-20/(3*10^8)=11*10^-28кг*м/с (с-скорость света, константа, а ответ мы вырзили в килограммах, умноженных на метр, делённый на секунду); теперь по аналогии с импульсом найдём и массу: m=E/c^2=3,7*10^-36 кг
2. здесь будем использовать ур-е Эйнштейна для фотоэффекта(вырывания электронов):
hv=Aвыхода+mv^2/2; константы я вам назвал, они остаются такими же, посчитайте, пожалуйста, сами, в условии всё известно