Номер 1, страница 182 - гдз по физике 10-11 класс сборник задач Громцева

14. Квантовая физика. 14.2. Фотоэффект. Опыты А. Г. Столетова - номер 1, страница 182.

Решение.

Решение 2.

Фотоэффект (или фотоэлектрический эффект) — это явление испускания электронов веществом под действием света или любого другого электромагнитного излучения. Электроны, вылетающие из вещества при фотоэффекте, называют фотоэлектронами.

Это явление было открыто Генрихом Герцем в 1887 году. Однако классическая волновая теория света не могла объяснить все его закономерности. Полное теоретическое объяснение было дано Альбертом Эйнштейном в 1905 году на основе квантовой гипотезы Макса Планка. За объяснение фотоэффекта Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году.

Суть объяснения Эйнштейна заключается в том, что свет состоит из дискретных порций энергии, называемых квантами или фотонами. Энергия каждого фотона пропорциональна частоте света: $ E = h\nu $ где $E$ — энергия фотона, $\nu$ (ню) — частота излучения, а $h$ — постоянная Планка ($h \approx 6.626 \times 10^{-34} \text{ Дж} \cdot \text{с}$).

Когда фотон попадает в вещество, он может передать всю свою энергию одному электрону. Чтобы электрон покинул вещество, ему необходимо совершить работу выхода ($A_{вых}$) — преодолеть силы, удерживающие его внутри материала. Работа выхода — это минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы он покинул поверхность тела. Это характеристика самого вещества.

Если энергия фотона $h\nu$ больше работы выхода $A_{вых}$, то электрон вылетает из вещества. Избыток энергии фотона ($h\nu - A_{вых}$) переходит в кинетическую энергию фотоэлектрона. Это описывается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта: $ h\nu = A_{вых} + K_{max} $ где $K_{max}$ — максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона. Максимальная кинетическая энергия также может быть выражена как $K_{max} = \frac{m_e v_{max}^2}{2}$, где $m_e$ — масса электрона, а $v_{max}$ — его максимальная скорость.

Из этого уравнения следуют основные законы фотоэффекта:

1. Количество фотоэлектронов, испускаемых в секунду (т.е. фототок насыщения), прямо пропорционально интенсивности падающего света. Более интенсивный свет означает большее число фотонов, которые выбивают большее число электронов.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует минимальная частота света $\nu_{min}$ (называемая красной границей фотоэффекта), ниже которой фотоэффект не наблюдается, какой бы интенсивной ни была световая волна. Это происходит, когда энергия фотона равна работе выхода: $h\nu_{min} = A_{вых}$.
4. Фотоэффект практически безынерционен, то есть испускание электронов начинается почти мгновенно после начала освещения (задержка составляет менее $10^{-9}$ с).

Различают внешний и внутренний фотоэффект.

• Внешний фотоэффект — это описанное выше явление, когда электроны вылетают за пределы вещества (например, в вакуум). Он используется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) и вакуумных фотоэлементах.
• Внутренний фотоэффект — это явление, при котором под действием света электроны не покидают вещество, а переходят внутри него в свободное состояние (в зону проводимости), увеличивая его электропроводность. Этот тип фотоэффекта лежит в основе работы полупроводниковых фотоприемников: фотодиодов, фоторезисторов, а также солнечных батарей (фотовольтаический эффект).

Ответ:

Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света. Оно объясняется квантовой теорией, согласно которой свет состоит из частиц-фотонов. Энергия фотона $E = h\nu$ расходуется на преодоление электроном работы выхода $A_{вых}$ из вещества и на сообщение ему кинетической энергии $K_{max}$. Этот процесс описывается уравнением Эйнштейна: $h\nu = A_{вых} + K_{max}$. Существование "красной границы" (минимальной частоты света, вызывающей фотоэффект) и зависимость энергии электронов только от частоты, а не от интенсивности света, являются ключевыми доказательствами квантовой природы света.