Номер 1, страница 130 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

1. Какое явление называют фотоэффектом?

1. Какое явление называют фотоэффектом?

Фотоэффектом (или фотоэлектрическим эффектом) называют явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения (например, видимого света, ультрафиолета или рентгеновских лучей). Электроны, которые испускаются в результате этого процесса, называются фотоэлектронами.

Существует несколько разновидностей фотоэффекта:
• Внешний фотоэффект — это процесс, при котором поглощение фотонов веществом сопровождается вылетом электронов за его пределы (в вакуум или другую среду). Это классический вид фотоэффекта, который был открыт Генрихом Герцем в 1887 году и детально изучен Александром Столетовым.
• Внутренний фотоэффект — это явление, при котором под действием света изменяется распределение электронов по энергетическим состояниям внутри полупроводника или диэлектрика. Электроны не покидают вещество, а переходят на более высокие энергетические уровни, что приводит к увеличению электропроводности материала (это явление называется фотопроводимостью).
• Вентильный фотоэффект — возникновение электродвижущей силы (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла. Этот эффект лежит в основе работы солнечных батарей и фотодиодов.

Когда говорят о «фотоэффекте» без уточнений, чаще всего подразумевают именно внешний фотоэффект.

Ответ: Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света или любого другого электромагнитного излучения.

2. Как формулируются закономерности фотоэффекта?

Закономерности внешнего фотоэффекта, установленные экспериментально русским физиком Александром Столетовым в 1888-1890 гг., формулируются в виде трех законов:

Первый закон фотоэффекта: Сила фототока насыщения (максимальный ток, определяемый числом фотоэлектронов, испускаемых в секунду) прямо пропорциональна интенсивности падающего на вещество света.
Проще говоря, чем ярче свет, тем больше электронов он выбивает за одно и то же время.

Второй закон фотоэффекта: Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего света и совершенно не зависит от его интенсивности.
Это означает, что скорость (и энергия) вылетевших электронов зависит от «цвета» света (его частоты), а не от его яркости.

Третий закон фотоэффекта («красная граница»): Для каждого вещества существует минимальная частота света $\nu_{min}$ (или, соответственно, максимальная длина волны $\lambda_{max}$), называемая красной границей фотоэффекта. Если частота света меньше этой пороговой частоты, фотоэффект не происходит, независимо от интенсивности света.
То есть, если свет «недостаточно энергичный» (например, красный для одних металлов, или инфракрасный для других), он не сможет выбить электроны, даже если будет очень ярким.

Эти законы не могли быть объяснены классической волновой теорией света, но получили полное теоретическое объяснение в квантовой теории, предложенной Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Эйнштейн предположил, что свет состоит из отдельных порций энергии (квантов или фотонов), энергия каждого из которых равна $E = h\nu$. При поглощении фотона электроном в веществе энергия фотона расходуется на совершение работы выхода $A_{вых}$ (минимальной энергии, необходимой для отрыва электрона от вещества) и на сообщение этому электрону кинетической энергии $E_к$.
Это выражается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта, которое является математическим выражением закона сохранения энергии для этого процесса:
$h\nu = A_{вых} + E_{к, макс}$
где $h$ — постоянная Планка, $\nu$ — частота света, $A_{вых}$ — работа выхода электрона (характеристика вещества), а $E_{к, макс}$ — максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Это уравнение полностью объясняет все три экспериментальных закона.

Ответ: Законы фотоэффекта формулируются следующим образом: 1) Сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности света. 2) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности. 3) Для каждого вещества существует пороговая частота света («красная граница»), ниже которой фотоэффект невозможен.