Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

5.4: Фотоелектричний ефект

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    19416

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Зображення сонячного вітрила
    Малюнок\(\PageIndex{1}\) (Кредит: Центр космічних польотів НАСА/Маршалла; Джерело: Вікісховище Вікімедіа, Тести сонячного вітрила (відкривається у новому вікні) [commons.wikimedia.org]; Ліцензія: Громадське надбання)

    Ви шанувальник наукової фантастики?

    У 1950-х науково-фантастичних оповіданнях однією темою космічних подорожей було використання сонячних вітрил для руху. Ідея полягала в тому, що фотонний тиск від сонця буде штовхати вітрило (як вітрила вітру) і переміщати космічний корабель. Те, що колись було науковою фантастикою, тепер реальність, оскільки сонячні вітрила розробляються і тестуються для сучасних космічних подорожей.

    Фотоелектричний ефект і природа частинок світла

    У 1905 році Альберт Ейнштейн (1879-1955) запропонував описати світло як кванти енергії, які поводяться як частинки. Фотон - це частка електромагнітного випромінювання, яка має нульову масу і несе в собі квант енергії. Енергія фотонів світла квантується відповідно до\(E = h \nu\) рівняння. Протягом багатьох років світло описувалося, використовуючи лише хвильові концепції, і вчені, навчені класичній фізиці, виявили, що ця хвильово-частинкова подвійність світла важкою ідеєю. Ключова концепція, яка була пояснена Ейнштейном за допомогою природи частинок світла, називалася фотоелектричним ефектом.

    Фотоелектричний ефект - це явище, яке виникає, коли світло, що сяяло на металеву поверхню, викликає викид електронів з цього металу. Було помічено, що тільки певні частоти світла здатні викликати викид електронів. Якщо частота падаючого світла була занадто низькою (червоне світло, наприклад), то електрони не викидалися, навіть якщо інтенсивність світла була дуже високою або він довго сяяв на поверхню. Якщо частота світла була вище (зелене світло, наприклад), то електрони могли викидатися з поверхні металу навіть в тому випадку, якщо інтенсивність була дуже низькою або вона сяяла лише короткий час. Ця мінімальна частота, необхідна для спричинення викиду електронів, називається пороговою частотою.

    Класична фізика не змогла пояснити фотоелектричний ефект. Якби класична фізика була застосована до цієї ситуації, електрон у металі в кінцевому підсумку міг би зібрати достатньо енергії для викиду з поверхні, навіть якщо вхідне світло було низької частоти. Ейнштейн використовував теорію частинок світла, щоб пояснити фотоелектричний ефект, як показано на малюнку нижче.

    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Низькочастотний світло (червоний) не здатний викликати викид електронів з поверхні металу. На пороговій частоті або вище (зеленого кольору) викидаються електрони. Ще більш висока частота вхідного світла (синій) викликає викид такої ж кількості електронів, але з більшою швидкістю. (Кредит: Раймонд Чоу; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC-SA 3.0 (відкривається в новому вікні))

    Розглянемо\(E = h \nu\) рівняння. The\(E\) мінімальна енергія, яка потрібна для того, щоб електрон металу був викинутий. Якщо частота вхідного світла нижче порогової частоти, ніколи не буде достатньо енергії, щоб викликати викид електронів.\(\nu\) Якщо частота дорівнює або перевищує порогову частоту, електрони будуть викинуті. У міру збільшення частоти за порогом викинуті електрони просто рухаються швидше. Збільшення інтенсивності вхідного світла, що знаходиться вище порогової частоти, призводить до збільшення кількості електронів, які викидаються, але вони не подорожують швидше. Фотоелектричний ефект застосовується в пристроях, званих фотоелектричними елементами, які зазвичай зустрічаються в повсякденних предметах (таких як калькулятор), які використовують енергію світла для вироблення електроенергії.

    Науковий калькулятор на сонячних батареях.
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Фотоелектричні елементи перетворюють світлову енергію в електричну енергію, яка живить цей калькулятор. (Кредит: Сергій Фролов; Джерело: Вікісховище Вікімедіа, Файл:FX-77.jpg (відкривається в новому вікні) [commons.wikimedia.org]; Ліцензія: Громадське надбання)

     

    Симуляція

    Запустіть інтерактивний PLIX нижче, щоб визначити, який тип кольорового світла має достатньо енергії (еВ), щоб викинути електрон з металевої пластини:

    Резюме

    • Світло має властивості як хвилі, так і частинки.
    • Фотоелектричний ефект виробляється світлом, що б'є метал і виштовхує електрони з поверхні металу.

    Рецензія

    1. Якими властивостями володіє фотон?
    2. Що показує фотоефект про властивості світла?
    3. Як частота світла впливає на вивільнення фотонів?