Нобелевская премия по физике за 1921 г. была присуждена Эйнштейну за его «важные физико-математические исследования и особенно за открытие законов фотоэлектрического эффекта».  (Знаменитая теория относительности даже не упомянута в приведенной формулировке). Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить законы фотоэффекта. Действительно, из соотношения Эйнштейна непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности. Так как с уменьшением частоты падающего света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного вещества катода

Согласно Эйнштейну, частота

представляет красную границу фотоэффекта для данного вещества. Она зависит лишь от работы выхода электронов, то есть от химической природы вещества и состояния его поверхности.

Используя выражение (2.8) для красной границы и соотношение (2.6), перепишем уравнение Эйнштейна в виде

которое объясняет экспериментальную линейную зависимость (см. рис. 2.4) задерживающего потенциала от частоты падающего электромагнитного излучения.

Таким образом, согласно Эйнштейну, свет с частотой w не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых

В 1914 г. были проведены модифицированные опыты по фотоэффекту:   лучи направлялись на металлическую пыль, помещенную в конденсаторе. Фотоэффект практически мгновенен: при соударении пылинки с фотонами из нее выбиваются электроны, пылинка приобретает заряд и начинает двигаться в поле конденсатора. Движение пылинок наблюдалось сразу после включения источника  излучения. Если бы  излучение было классической электромагнитной волной, то волне потребовалось бы вполне заметное в эксперименте время для того, чтобы раскачать электроны, сообщить им энергию, равную работе выхода и, тем самым, вырвать их из пылинки. Отсутствие такого запаздывания наглядно продемонстрировало корпускулярную природу фотоэффекта.

На явлении фотоэффекта основано действие приборов, называемых фотоэлементами. На рис. 2.14 показано устройство вакуумного фотоэлемента.

Рис. 2.14. Устройство вакуумного фотоэлемента

На внутреннюю поверхность металлического баллона наносится светочувствительный слой, служащий катодом. Он соединен с отрицательным полюсом источника тока. В центре баллона помещается проволочное кольцо, служащее анодом. Анод соединяется с положительным полюсом источника тока. Через прозрачное окно в передней стенке баллона свет проникает внутрь и, пройдя сквозь проволочное кольцо, выбивает фотоэлектроны из катода. Фотоэлектроны под действием электрического поля движутся в сторону анода, цепь замыкается и по ней начинает течь ток I_Ф. Если на пути световых лучей появится непрозрачная преграда, то свет перестанет поступать на катод, фотоэлектронная эмиссия прекратится, и ток в цепи прервется. При этом сработает то или иное реле, связанное с регистрирующим устройством.

Рис. 2.15. Солнечные батареи на международной космической станции. При освещении области контакта различных полупроводников возникает фотоэдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую.

Фотоэлементы являются основной частью всевозможных фотореле, нашедших широкое применение в промышленности. С помощью фотореле можно осуществлять управление различными приборами и установками, включая и выключая их автоматически при освещении светом фотоэлемента, либо, наоборот, при его выключении.

Видео 2.2. Внутренний фотоэффект. Фоторезистор: «А каковы Ваши намерения?»

Пример 1. На поверхность лития падает монохроматический свет с длиной волны . Чтобы прекратить эмиссию электронов, нужно приложить задерживающую разность потенциалов  не менее . Определим работу выхода .

Энергия фотона равна

Максимальная кинетическая энергия электронов равна произведению . Отсюда находим работу выхода

В дальнейшем мы обсудим подробнее уже упоминавшуюся внесистемную единицу энергии — электрон-вольт   .

Пример 2. Определить максимальную скорость электронов, вылетающих из металла под действием  квантов с длиной волны .

Энергия  квантов

существенно превышает работу выхода электронов из любого металла (не  больше нескольких эВэВ). Поэтому в уравнении Эйнштейна (2.7) работой выхода А_ВЫХможно пренебречь. Учитывая, что энергия покоя электрона равна примерно , то есть близка к его кинетической энергии ,  для расчета скорости электронов в данном случае необходимо воспользоваться релятивистскими формулами, а именно: кинетическая энергия К равна

где  — максимальная скорость электронов, с  — скорость света в вакууме.

Тогда уравнение Эйнштейна приобретает вид

где

Решая его, находим скорость электронов

которая действительно оказывается близка к скорости света в вакууме .

Физика Фотоэффект. Теория фотоэффекта

Материалы к уроку

Конспект урока

С помощью квантовых законов можно объяснить поведение всех микрочастиц. Квантовые свойства материи впервые были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света. Одно из явлений, которое происходит с частицами вещества под действием света, — это фотоэффект, открытый Г. Герцем и тщательно исследованный выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым в 19 веке.  Исследование фотоэффекта принесло ему мировую известность. Александр Григорьевич показал и возможность применения фотоэффекта на практике. В докторской диссертации «Исследования о функции намагничения мягкого железа» он описал метод исследования ферромагнетиков и установил вид кривой намагничения. Это метод широко использовался на практике при конструировании электрических машин. Фотоэффект — это вырывание электронов из вещества под действием света. Обнаружить фотоэффект на опыте можно с помощью электрометра, к которому присоединили цинковую пластину. Если зарядить пластину положительно, то ее освещение, например электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро. Почему так происходит? Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если пластина заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее, и электрометр разряжается. При положительном же заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра в этом случае не изменяется. Поменяем условия опыта: поместим на пути света обыкновенное стекло. В результате видим, что отрицательно заряженная пластина не теряет электроны. Усилим интенсивность излучения, но даже при сильной интенсивности излучения потери электронов не происходит. Вспомним, какими свойствами обладает стекло? Стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, значит, именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект.
Однако, явление фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света, т.к.  не доказано почему световые волны малой частоты не могут вырывать электроны, даже если амплитуда волны велика и, следовательно, велика сила, действующая на электроны. Ученые продолжили экспериментальные исследования, чтобы выяснить от чего же зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) и чем определяется их скорость, а, следовательно, и кинетическая энергия для того, чтобы получить более полное представление о фотоэффекте. В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, помещаются два электрода, на один из которых через кварцевое окошко поступает свет, прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром.  К освещаемому электроду присоединяется отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток. Если напряжение не велико, то не все вырванные светом электроны достигают другого электрода. Если же, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока возрастает и, достигнув максимального значения при некотором напряжении, она перестает увеличиваться. Максимальное значение силы тока Iϕ (И фи) называется током насыщения. Сила тока насыщения определяется числом электронов, испускаемых за 1 с освещаемым электродом. Изменяя   интенсивность излучения, ученые установили, что число электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. Исходя из результатов этого опыта был сформулирован первый закон фотоэффекта: фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку. Как измерить кинетическую энергию или скорость электронов? Из графика, приведенного на рисунке, видно, что при нулевом напряжении сила фототока отлична от нуля. Это значит, что часть вырванных светом электронов достигает правого электрода даже при отсутствии напряжения. Изменим полярность батареи, сила тока уменьшится, и при некотором напряжении обратной полярности она станет равной нулю. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод. Это напряжение называют задерживающим. Задерживающее напряжение U3 (Уз) зависит от максимальной кинетической энергии, которую имеют вырванные светом электроны. Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической энергии (кинетическая энергия равна половине произведения массы на квадрат скорости), можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов (Эм В квадрат, деленное на 2, равно произведению заряда электрона на задерживающее напряжение У). При изменении интенсивности света или плотности потока излучения задерживающее напряжение, как показали опыты, 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, а, следовательно, и большая энергия должна передаваться электронам.
На опытах же было обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты света. Следствием этого является второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты Vmin, то фотоэффекта не происходит.
Фотоэлектрический эффект  Если энергия кванта превышает величину энергии связи электрона с ядром атома или иона, то происходит фотоэффект — явление вылета электрона из  частиц  вещества. Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии Е = hv сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком. Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии. Энергия порции света hv идет на совершение работы выхода А и на сообщение электрону кинетической энергии. Следовательно, закон сохранения энергии можно записать в виде формулы Альберта Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта, когда фотоэффект происходит на свободной частице вещества. Ученые в начале ХХ в. впервые наблюдали само явление и такие его особенности, как практическая безынерционность, независимость максимальной энергии электронов от освещенности и  линейная  связь  энергии  с  частотой света не поддавались объяснению с позиций классической электродинамики Максвелла.  
Альберт Эйнштейн сумел развеять все сомнения, применив для объяснения фотоэффекта гипотезу Планка о  дискретности
энергии электромагнитного поля W = hv. Он доказал, что фотоэффект прекращается тогда, когда энергия кванта меньше или равна работе выхода
электрона из вещества. Некоторая связь с классическим процессом раскачивания
электронной оболочки  падающей волной  все  же  сохраняется.  При  малой  энергии квантов (это  соответствует  более длинноволновому излучению) фотоэлектроны вылетают преимущественно под углом 900, то есть по направлению вектора Е падающей волны. По мере увеличения энергии квантов (увеличения частоты и  уменьшения длины волны)  фотоэлектроны  вылетают  под все меньшими углами, причем  направление  их  импульса  совпадает с направлением падения  ультрафиолетового  или  рентгеновского  излучения, здесь начинают все заметнее проявляться корпускулярные свойства полей-волн. Объяснить явление фотоэффекта на основе законов электродинамики Максвелла, согласно которым свет — это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, не удалось. Ученые не могли определить почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при достаточно малой длине волны свет вырывает электроны. Объяснение фотоэффекта в 1905 г. дал Эйнштейн, развивая идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн   доказал, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.
Энергия Е каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте: Е равно АШ НЮ, где h — постоянная Планка. Из того, что свет излучается порциями, еще нельзя утверждать о прерывистости структуры самого света. Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии Е = hv Е равно АШ НЮ сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком. Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии. Энергия порции света hv АШ НЮ идет на совершение работы выхода А и на сообщение электрону кинетической энергии.
Следовательно, энергия кванта Аш ню равна:

hv= A + mv²/2
 
Работа выхода — это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота v света больше некоторого минимального значения Vmin. Ведь, чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы. Предельную частоту НЮ минимальное и предельную длину волны   лямбда максимальная называют красной границей фотоэффекта. Они выражаются так: НЮ минимальное равно отношению работы выхода к постоянной Планка, Лямбда равно отношению произведения постоянной Планка на скорость света к работе выхода электронов, где   mах  (  кр) лямбда максимальная — максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. Максимальная длина волны видимого света соответствует красному цвету, по аналогии   со световыми волнами появилось и это название красная граница фотоэффекта. Работа выхода А зависит от рода вещества. Поэтому и предельная частота Vmin фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна. В этом и заключается третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах волн фотоэффекта нет. Например, для цинка красной границе соответствует длина волны три целых семь десятых на 10 в минус седьмой степени метров (ультрафиолетовое излучение). Этим можно объяснить опыт по прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовые лучи. Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка. У щелочных металлов работа выхода, напротив, меньше, а длина волны  max, соответствующая красной границе, больше. Например, для натрия лямбда равно 6,8 на десять в минус 34 степени метра. Исходя из уравнения Эйнштейна, можно найти постоянную Планка h. Для этого нужно экспериментально определить частоту света V, работу выхода А и измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Постоянная Планка равна 6 целых 63 сотых на 10 в минус 34 степени Джоулей на секунду.
Такое же значение нашел и сам  Планк  при теоретическом изучении теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полученных различными методами, доказывает правильность предположения о прерывистом характере излучения и поглощения света веществом. Уравнение Эйнштейна объясняет основные закономерности фотоэффекта. За работы по теории фотоэффекта Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии.
 

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

Фотоэффект. | Объединение учителей Санкт-Петербурга

фотоэлектрический эффект | Определение, примеры и приложения

Ключевые специалисты:

Альберт Эйнштейн Роберт Милликен Филипп Ленард

Похожие темы:

фотопроводимость фотоэлектрическая работа выхода фотоэлектрон Отношение Эйнштейна фотоэлектрическая пороговая частота

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

Подумайте, как открытие Генрихом Герцем фотоэлектрического эффекта привело к теории света Альберта Эйнштейна

фотоэлектрический эффект , явление, при котором электрически заряженные частицы высвобождаются из материала или внутри него, когда он поглощает электромагнитное излучение. Эффект часто определяют как выброс электронов из металлической пластины, когда на нее падает свет. В более широком определении лучистой энергией может быть инфракрасный, видимый или ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи или гамма-лучи; материал может быть твердым, жидким или газообразным; и высвобождаемые частицы могут быть ионами (электрически заряженными атомами или молекулами), а также электронами. Это явление имело фундаментальное значение для развития современной физики из-за загадочных вопросов, которые оно поднимало о природе света — поведение частиц в сравнении с поведением волн, — которые были окончательно решены Альбертом Эйнштейном в 1919 г.05. Эффект остается важным для исследований в областях от материаловедения до астрофизики, а также служит основой для множества полезных устройств.

Открытие и ранние работы

Фотоэффект был открыт в 1887 году немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем. В связи с работой над радиоволнами Герц заметил, что, когда ультрафиолетовый свет падает на два металлических электрода с приложенным к ним напряжением, свет изменяет напряжение, при котором происходит искрообразование. Это отношение между светом и электричеством (отсюда фотоэлектрический ) был выяснен в 1902 году другим немецким физиком Филиппом Ленардом. Он продемонстрировал, что электрически заряженные частицы высвобождаются с поверхности металла при ее освещении и что эти частицы идентичны электронам, открытым британским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1897 году.

Дальнейшие исследования показали, что фотоэффект представляет собой взаимодействие между светом и материей, которое не может быть объяснено классической физикой, описывающей свет как электромагнитную волну. Одно необъяснимое наблюдение заключалось в том, что максимальная кинетическая энергия высвобожденных электронов не зависит от интенсивности света, как ожидалось в соответствии с волновой теорией, а вместо этого пропорциональна частоте света. Интенсивность света действительно определяла количество электронов, выпущенных из металла (измеряемое как электрический ток). Еще одно загадочное наблюдение заключалось в том, что между приходом излучения и испусканием электронов практически не было временной задержки.

фотоэлектрический эффект: открытие Эйнштейна, удостоенное Нобелевской премии

Рассмотрение этих неожиданных явлений привело Альберта Эйнштейна к формулировке в 1905 году новой корпускулярной теории света, в которой каждая частица света, или фотон, содержит фиксированное количество энергии или кванта, которое зависит от частоты света. В частности, фотон несет энергию E , равную ч f , где f — частота света, а ч — это универсальная постоянная, которую немецкий физик Макс Планк вывел в 1900 году для объяснения распределения длины волны излучения черного тела, то есть электромагнитного излучения, испускаемого горячим телом. Соотношение можно также записать в эквивалентной форме E = h c /λ, где c — скорость света, а λ — его длина волны, показывая, что энергия фотона обратно пропорциональна его длина волны.

Британника Викторина

Физика и законы природы

Какая сила замедляет движение? Каждому действию есть равное и противоположное что? В этом викторине по физике нет ничего, что E = mc было бы квадратным.

Эйнштейн предположил, что фотон проникнет в материал и передаст свою энергию электрону. По мере того, как электрон движется через металл с высокой скоростью и, наконец, выходит из материала, его кинетическая энергия уменьшается на величину ϕ, называемую работой выхода (аналогично работе выхода электрона), которая представляет собой энергию, необходимую для того, чтобы электрон покинул пространство. металл. В силу сохранения энергии это рассуждение привело Эйнштейна к фотоэлектрическому уравнению E _k = h f − ϕ, где E _k — максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Хотя модель Эйнштейна описывала испускание электронов из освещенной пластины, его фотонная гипотеза была настолько радикальной, что не была общепринятой до тех пор, пока не получила дальнейшего экспериментального подтверждения. Дальнейшее подтверждение произошло в 1916 году, когда чрезвычайно точные измерения американского физика Роберта Милликена подтвердили уравнение Эйнштейна и показали с высокой точностью, что значение постоянной Эйнштейна ч — то же самое, что и постоянная Планка. Наконец, в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике за объяснение фотоэлектрического эффекта.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

В 1922 году американский физик Артур Комптон измерил изменение длины волны рентгеновских лучей после их взаимодействия со свободными электронами и показал, что это изменение можно рассчитать, рассматривая рентгеновские лучи как состоящие из фотонов. Комптон получил 1927 Нобелевская премия по физике за эту работу. В 1931 году британский математик Ральф Говард Фаулер расширил понимание фотоэлектрической эмиссии, установив связь между фотоэлектрическим током и температурой в металлах. Дальнейшие усилия показали, что электромагнитное излучение также может испускать электроны в изоляторах, которые не проводят электричество, и в полупроводниках, различных изоляторах, которые проводят электричество только при определенных обстоятельствах.

Фотоэлектрические принципы

Согласно квантовой механике, электроны, связанные с атомами, находятся в определенных электронных конфигурациях. Самая высокая энергетическая конфигурация (или энергетическая зона), которая обычно занята электронами для данного материала, известна как валентная зона, и степень ее заполнения в значительной степени определяет электропроводность материала. В типичном проводнике (металле) валентная зона примерно наполовину заполнена электронами, которые легко перемещаются от атома к атому, неся ток. В хорошем изоляторе, таком как стекло или резина, валентная зона заполнена, и эти валентные электроны обладают очень малой подвижностью. Подобно изоляторам, полупроводники обычно имеют заполненные валентные зоны, но, в отличие от изоляторов, требуется очень небольшая энергия, чтобы возбудить электрон из валентной зоны в следующую разрешенную зону энергии, известную как зона проводимости, потому что любой электрон, возбужденный до этой более высокой энергии Уровень относительно свободный. Например, ширина запрещенной зоны для кремния составляет 1,12 эВ (электрон-вольт), а для арсенида галлия — 1,42 эВ. Это находится в диапазоне энергии, переносимой фотонами инфракрасного и видимого света, которые поэтому могут поднимать электроны в полупроводниках в зону проводимости. (Для сравнения, обычная батарейка для фонарика сообщает 1,5 эВ каждому прошедшему через нее электрону. Для преодоления запрещенной зоны в изоляторах требуется гораздо более мощное излучение.) В зависимости от того, как сконфигурирован полупроводниковый материал, это излучение может увеличить его электропроводность на добавление к электрическому току, уже индуцированному приложенным напряжением ( см. фотопроводимость), или он может генерировать напряжение независимо от каких-либо внешних источников напряжения ( см. фотогальванический эффект).

Фотопроводимость возникает из-за электронов, освобождаемых светом, а также из-за потока положительного заряда. Электроны, поднятые в зону проводимости, соответствуют отсутствующим отрицательным зарядам в валентной зоне, называемым «дырками». И электроны, и дырки увеличивают ток, когда полупроводник освещается.

При фотогальваническом эффекте напряжение генерируется, когда электроны, освобождаемые падающим светом, отделяются от образовавшихся дырок, создавая разность электрических потенциалов. Обычно это делается с помощью p — n переход, а не чистый полупроводник. Переход p — n возникает на стыке полупроводников типа p (положительный) и n (отрицательный). Эти противоположные области создаются добавлением различных примесей для производства избыточных электронов (тип n ) или избыточных дырок (тип p ). Освещение высвобождает электроны и дырки на противоположных сторонах соединения, создавая напряжение на соединении, которое может продвигать ток, тем самым преобразовывая свет в электрическую энергию.

Другие фотоэлектрические эффекты вызываются излучением более высоких частот, таким как рентгеновские лучи и гамма-лучи. Эти фотоны с более высокой энергией могут даже высвобождать электроны вблизи ядра атома, где они прочно связаны. Когда такой внутренний электрон выбрасывается, внешний электрон с более высокой энергией быстро падает вниз, чтобы заполнить вакансию. Избыток энергии приводит к испусканию одного или нескольких дополнительных электронов из атома, что называется эффектом Оже.

При высоких энергиях фотонов также наблюдается эффект Комптона, возникающий при столкновении фотона рентгеновского или гамма-излучения с электроном. Эффект можно проанализировать с помощью тех же принципов, которые управляют столкновением между любыми двумя телами, включая сохранение количества движения. Фотон отдает энергию электрону, что соответствует увеличению длины волны фотона согласно соотношению Эйнштейна E = ч с /λ. Когда столкновение таково, что электрон и фотон расходятся под прямым углом друг к другу, длина волны фотона увеличивается на характерную величину, называемую комптоновской длиной волны, 2,43 × 10 ⁻¹² метров.

Фотоэлектрический эффект: объяснение и применение

Живая наука поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

Фотоэлектрический эффект относится к тому, что происходит, когда электроны испускаются из материала, поглощающего электромагнитное излучение. Физик Альберт Эйнштейн первым полностью описал эффект и получил за свою работу Нобелевскую премию.

Что такое фотоэффект?

Свет с энергией выше определенной точки можно использовать для выбивания электронов, освобождая их от твердой металлической поверхности, согласно журналу Scientific American. Каждая частица света, называемая фотоном, сталкивается с электроном и использует часть своей энергии, чтобы выбить электрон. Остальная часть энергии фотона передается свободному отрицательному заряду, называемому фотоэлектроном.

Понимание того, как это работает, произвело революцию в современной физике. Применение фотоэлектрического эффекта принесло нам дверные открыватели «электрический глаз», люксметры, используемые в фотографии, солнечные батареи и фотостатическое копирование.

Открытие

До Эйнштейна ученые наблюдали этот эффект, но его поведение сбивало их с толку, поскольку они не полностью понимали природу света. В конце 1800-х годов физики Джеймс Клерк Максвелл из Шотландии и Хендрик Лоренц из Нидерландов определили, что свет ведет себя как волна. Это было доказано наблюдением за тем, как световые волны демонстрируют интерференцию, дифракцию и рассеяние, которые являются общими для всех видов волн (включая волны в воде) 9.0015

Таким образом, аргумент Эйнштейна в 1905 году о том, что свет может также вести себя как набор частиц, был революционным, поскольку он не согласовывался с классической теорией электромагнитного излучения. Другие ученые постулировали эту теорию до него, но Эйнштейн был первым, кто подробно объяснил, почему это явление произошло, и его последствия.

Например, Генрих Герц из Германии был первым, кто увидел фотоэлектрический эффект в 1887 году. Он обнаружил, что если направлять ультрафиолетовый свет на металлические электроды, он снижает напряжение, необходимое для того, чтобы искра двигалась за электродами, согласно Английский астроном Дэвид Дарлинг.

Затем в 1899 году в Англии Дж. Дж. Томпсон продемонстрировал, что ультрафиолетовый свет, падающий на металлическую поверхность, вызывает выброс электронов. Количественное измерение фотоэлектрического эффекта появилось в 1902 году благодаря работе Филиппа Ленарда (бывшего помощника Герца). Было ясно, что свет обладает электрическими свойствами, но что происходит, было неясно.

Согласно Эйнштейну, свет состоит из маленьких пакетов, сначала называемых квантами, а затем фотонами. Как ведут себя кванты при фотоэффекте, можно понять с помощью мысленного эксперимента. Представьте себе шарик, вращающийся в колодце, который был бы похож на связанный электрон с атомом. Когда входит фотон, он ударяется о шарик (или электрон), давая ему достаточно энергии, чтобы выбраться из колодца. Это объясняет поведение света, падающего на металлические поверхности.

В то время как Эйнштейн, тогда молодой патентный клерк в Швейцарии, объяснил это явление в 1905 году, потребовалось еще 16 лет, чтобы за его работу была присуждена Нобелевская премия. Это произошло после того, как американский физик Роберт Милликен не только проверил работу, но и нашел связь между одной из констант Эйнштейна и постоянной Планка. Последняя константа описывает поведение частиц и волн в атомном мире.

Дальнейшие ранние теоретические исследования фотоэлектрического эффекта были выполнены Артуром Комптоном в 1922 (который показал, что рентгеновские лучи также можно рассматривать как фотоны, и получил Нобелевскую премию в 1927 г.), а также Ральф Ховард Фаулер в 1931 г. (который рассмотрел взаимосвязь между температурой металлов и фотоэлектрическими токами). Хотя описание фотоэффекта звучит весьма теоретически, существует множество практических применений его работы. Britannica описывает некоторые из них:

Фотоэлектрические элементы первоначально использовались для обнаружения света с использованием вакуумной трубки, содержащей катод для испускания электронов и анод для сбора результирующего тока. Сегодня эти «фототрубки» превратились в фотодиоды на основе полупроводников, которые используются в таких приложениях, как солнечные элементы и волоконно-оптические телекоммуникации.

Фотоумножители представляют собой разновидность фотоэлементов, но они имеют несколько металлических пластин, называемых динодами. Электроны высвобождаются после того, как свет попадает на катоды. Затем электроны падают на первый динод, который высвобождает больше электронов, попадающих на второй динод, затем на третий, четвертый и так далее. Каждый динод усиливает ток; примерно после 10 динодов ток становится достаточно сильным, чтобы фотоумножители могли обнаруживать даже отдельные фотоны. Примеры этого используются в спектроскопии (которая разбивает свет на разные длины волн, чтобы узнать больше о химическом составе звезды, например) и компьютерной осевой томографии (CAT), которая исследует тело.

Другие области применения фотодиодов и фотоумножителей включают:

• технологии обработки изображений, включая (более старые) трубки телевизионных камер или усилители изображения;
• изучение ядерных процессов;
• химический анализ материалов на основе испускаемых ими электронов;
• дает теоретическую информацию о том, как электроны в атомах переходят между различными энергетическими состояниями.

Но, по словам 9, возможно, наиболее важным применением фотоэлектрического эффекта было начало квантовой революции.0015

Сайнтифик Американ. Это заставило физиков совершенно по-новому взглянуть на природу света и структуру атомов.

Дополнительные ресурсы

• Гиперучебник по физике: Фотоэлектрический эффект
• Академия Хана: Фотоэлектрический эффект

Элизабет Хауэлл является постоянным автором Live Science и Space.com, а также ряда других научных публикаций. Она одна из немногих канадских репортеров, специализирующихся на космических репортажах. Элизабет имеет степень бакалавра журналистики в Карлтонском университете (Канада) и степень магистра наук. Космические исследования (дистанционные) в Университете Северной Дакоты. Элизабет стала штатным фрилансером после получения степени магистра наук. в 2012 году. Она лично сообщила о трех запусках космических челноков и однажды провела две недели на изолированном объекте в Юте, притворяясь марсианином.

5.4: Фотоэлектрический эффект — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Вы поклонник научной фантастики?

В научно-фантастических рассказах 1950-х годов одной из тем космических путешествий было использование солнечных парусов для движения. Идея заключалась в том, что фотонное давление Солнца будет толкать парус (как ветровые паруса) и двигать космический корабль. То, что когда-то было научной фантастикой, теперь стало реальностью, поскольку солнечные паруса разрабатываются и испытываются для современных космических путешествий.

Фотоэлектрический эффект и корпускулярная природа света

В 1905 году Альберт Эйнштейн (1879-1955) предложил описывать свет как кванты энергии, которые ведут себя как частицы. А фотон — это частица электромагнитного излучения, имеющая нулевую массу и несущая квант энергии. Энергия фотонов света квантуется согласно уравнению \(E = h \nu\). В течение многих лет свет описывался с использованием только волновых концепций, и ученые, изучающие классическую физику, сочли, что эту идею корпускулярно-волнового дуализма света трудно принять. Ключевое понятие, которое Эйнштейн объяснил, используя природу световых частиц, было названо фотоэлектрическим эффектом.

Фотоэлектрический эффект  — это явление, возникающее, когда свет, падающий на металлическую поверхность, вызывает выброс электронов из этого металла. Было замечено, что только определенные частоты света способны вызвать выброс электронов. Если частота падающего света была слишком низкой (например, красный свет), то электроны не выбрасывались, даже если интенсивность света была очень высокой или он светил на поверхность в течение длительного времени. Если частота света была выше (например, зеленый свет), то электроны могли выбрасываться с поверхности металла, даже если интенсивность была очень низкой или если свет освещался только короткое время. Эта минимальная частота, необходимая для выброса электрона, называется пороговая частота .

Классическая физика не смогла объяснить фотоэффект. Если бы к этой ситуации была применена классическая физика, электрон в металле мог бы в конечном итоге накопить достаточно энергии, чтобы вылететь с поверхности, даже если падающий свет имел низкую частоту. Эйнштейн использовал теорию частиц света для объяснения фотоэлектрического эффекта, как показано на рисунке ниже.

Рассмотрим уравнение \(E = h \nu\). \(Е\) — это минимальная энергия, необходимая для того, чтобы электрон металла был выброшен. Если частота входящего света \(\nu\) ниже пороговой частоты, никогда не будет достаточно энергии, чтобы вызвать выброс электронов. Если частота равна или превышает пороговую частоту, электроны будут выбрасываться. Когда частота превышает пороговое значение, выброшенные электроны просто движутся быстрее. Увеличение интенсивности входящего света выше пороговой частоты приводит к увеличению количества выбрасываемых электронов, но они не двигаются быстрее. Фотоэффект применяется в устройствах под названием 9.0023 фотоэлементы , которые обычно используются в предметах повседневного обихода (таких как калькулятор), которые используют энергию света для выработки электроэнергии.

Резюме

• Свет обладает свойствами как волны, так и частицы.
• Фотоэлектрический эффект возникает при попадании света на металл и выбивании электронов с поверхности металла.

Обзор

1. Какими свойствами обладает фотон?
2. Что говорит фотоэффект о свойствах света?
3. Как частота света влияет на испускание фотонов?

Эта страница под названием 5.4: Фотоэлектрический эффект распространяется под лицензией CK-12 и была создана, изменена и/или курирована Фондом CK-12 с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.