Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Г. Герцем (1887 г.). Теория фотоэффекта была развита А. Эйнштейном (1905 г.) на основе квантовых представлений. Классическая волновая теория света оказалась неспособной объяснить закономерности этого явления.
Согласно квантовым представлениям свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами), энергия E которых пропорциональна частоте ν
E = hν
где h = 6,63·10–34 Дж·с – постоянная Планка.
Чтобы вырвать электрон из вещества, нужно сообщить ему энергию, превышающую работу выхода A. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона определяется согласно Эйнштейну уравнением
Это уравнение объясняет основные закономерности фотоэффекта:
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от падающего светового потока.
Если между фотокатодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения Uз анодный ток прекращается. Величина Uз определяется соотношением
Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально мощности светового потока P.
Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты νmin, то фотоэффект не происходит («красная граница фотоэффекта»)
У щелочных металлов красная граница лежит в диапазоне видимого света.
Модель является компьютерным экспериментом по исследованию закономерностей внешнего фотоэффекта. Можно изменять значение напряжения U между анодом и катодом фотоэлемента и его знак, длину волны λ в диапазоне видимого света и мощность светового потока P.
В эксперименте можно определить красную границу фотоэффекта и найти работу выхода материала фотокатода. Можно измерить запирающий потенциал Uз для различных длин волн и определить постоянную Планка h.
Вопрос №1
При каком условии возможен фотоэффект?
Вопрос №2
Как изменится работа выхода электрона из вещества при уменьшении частоты облучения в 3 раза?
Вопрос №3
Чему равна максимальная кинетическая энергия электронов, вырываемых из платины под действием фотонов с энергией 8,5·10–19 Дж, если работа выхода составляет Aвых = 8,5·10–19 Дж?
Вопрос №4
Скорость фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла, при увеличении частоты света увеличилась в 2 раза. Как изменился задерживающий потенциал?
Вопрос №5
Длина волны падающего света, вызывающего фотоэффект, уменьшилась в 4 раза. Как изменилась величина задерживающего напряжения U (в пренебрежении работой выхода электронов из материала катода)?
Вопрос №6
Как изменится максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, если увеличить частоту облучающего света, не изменяя при этом мощность световой волны?
Вопрос №7
При освещении катода светом с частотой ν = 1015 Гц фототок с поверхности катода прекращается при задерживающем напряжении между катодом и анодом Uз = 2 В. Чему равна работа выхода электрона из металла катода?
Задача №1
Фотоэффект не происходит при длине волны λ = 622 нм. Мощность световой волны 0,5 мВт. Чему равен фототок, если мощность световой волны увеличить в 2 раза? Провести компьютерный эксперимент и проверить ваш ответ.
I = A
Задача №2
Красная граница фотоэффекта λ = 622 нм. Задерживающее напряжение 0,4 В. Чему равен фототок, если металл осветить светом с длиной волны λ = 650 нм, а задерживающее напряжение уменьшить до 0,2 В? Провести компьютерный эксперимент и проверить ваш ответ.
I = A
Задача №3
Задерживающее напряжение Uзад = 1 В, металл освещается светом с длиной волны λ = 432 нм, при этом фототок I = 0 мА. При какой длине волны задерживающее напряжение Uзад = 0,5 В? Провести компьютерный эксперимент и проверить ваш ответ.
λ = нм
Задача №4
На сколько изменится задерживающее напряжение Uзад при увеличении мощности световой волны в 2 раза, если металл освещается светом с длиной волны λ = 380 нм, а первоначальная мощность световой волны P = 0,5 мВт? Провести компьютерный эксперимент и проверить ваш ответ.
Uзад = В
Задача №5
Максимальное значение силы тока Iнас = 1 мА достигается в установке по наблюдению фотоэффекта при напряжении U = 3 В, металл освещается светом с длиной волны λ = 380 нм, а первоначальная мощность световой волны P = 1 мВт. Найти максимальное значение силы тока насыщения Iнас, если мощность световой волны уменьшилась в 2 раза. Провести компьютерный эксперимент и проверить ваш ответ.
Iнас = мА
Задача №6
Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. Во сколько раз уменьшится сила фототока, если мощность световой волны P уменьшится в 2 раза? Провести компьютерный эксперимент и проверить ваш ответ.
В раза
Вопросы для лабораторных работ Задачи для лабораторных работ
