Номер 5, страница 130 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

5. Где применяется фотоэффект?

4. Основные законы внешнего фотоэффекта, установленные экспериментально в работах А. Г. Столетова, формулируются следующим образом:

Первый закон фотоэффекта: Сила фототока насыщения (максимальное число фотоэлектронов, покидающих поверхность катода в секунду) прямо пропорциональна интенсивности падающего на катод света. Проще говоря, чем ярче свет, тем больше электронов он выбивает.

Второй закон фотоэффекта: Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зависит от его интенсивности. Это означает, что цвет света (его частота), а не его яркость (интенсивность), определяет максимальную скорость выбитых электронов.

Третий закон фотоэффекта: Для каждого вещества существует минимальная частота света $ \nu_{min} $, называемая "красной границей" фотоэффекта, при которой еще возможен фотоэффект. Если частота света меньше этого порогового значения, фотоэффект не происходит, независимо от интенсивности света.

Классическая физика не могла объяснить эти закономерности. Объяснение было дано Альбертом Эйнштейном в 1905 году на основе квантовой гипотезы Макса Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только излучается и поглощается, но и распространяется в виде дискретных порций энергии — квантов (позже названных фотонами). Энергия одного фотона пропорциональна частоте света: $ E = h\nu $.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта описывает закон сохранения энергии при взаимодействии фотона с электроном в металле:

$ h\nu = A_{вых} + E_{к.макс} $

В этой формуле:

• $ h\nu $ — энергия одного фотона, падающего на вещество ($ h $ — постоянная Планка, $ \nu $ — частота света).

• $ A_{вых} $ — работа выхода, то есть минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы он покинул поверхность вещества. Это характеристика самого вещества.

• $ E_{к.макс} = \frac{m_e v_{max}^2}{2} $ — максимальная кинетическая энергия, которую получает вылетевший фотоэлектрон.

Это уравнение полностью объясняет все законы фотоэффекта:

• Объяснение 1-го закона: Интенсивность света пропорциональна числу фотонов, падающих на поверхность в секунду. Каждый фотон, энергия которого достаточна, выбивает один электрон. Следовательно, чем больше фотонов (выше интенсивность), тем больше выбивается электронов и тем больше фототок.

• Объяснение 2-го закона: Из уравнения следует, что $ E_{к.макс} = h\nu - A_{вых} $. Максимальная кинетическая энергия линейно зависит от частоты $ \nu $ и не зависит от интенсивности (количества фотонов).

• Объяснение 3-го закона: Чтобы электрон мог покинуть вещество, его кинетическая энергия должна быть неотрицательной ($ E_{к.макс} \ge 0 $). Это возможно только если энергия фотона не меньше работы выхода: $ h\nu \ge A_{вых} $. Минимальная частота, при которой это условие выполняется, и есть красная граница: $ \nu_{min} = \frac{A_{вых}}{h} $.

Ответ: Основные законы фотоэффекта: 1) Фототок насыщения пропорционален интенсивности света. 2) Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности. 3) Для каждого вещества существует "красная граница" — минимальная частота света, ниже которой фотоэффект невозможен. Объясняются эти законы уравнением Эйнштейна $ h\nu = A_{вых} + E_{к.макс} $, которое гласит, что энергия поглощенного фотона расходуется на работу выхода электрона из вещества и на сообщение ему кинетической энергии.

5. Фотоэффект — явление преобразования энергии света в электрическую энергию — нашел широкое применение в различных областях науки и техники. Основные сферы его применения:

• Фотоэлементы и фотодатчики. Это самое массовое применение. На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные фотоэлементы, которые используются как датчики света в различных автоматических устройствах: системах управления уличным освещением, турникетах, охранных сигнализациях (прерывание светового луча), системах контроля пламени в котельных, фотометрах для измерения интенсивности света.

• Солнечные батареи. В основе работы солнечных панелей лежит внутренний фотоэффект в полупроводниках. Падающие фотоны света создают в полупроводнике свободные носители заряда (электрон-дырочные пары), которые разделяются p-n-переходом, создавая ЭДС и электрический ток. Это ключевая технология возобновляемой энергетики.

• Цифровые камеры и сканеры. Светочувствительные матрицы в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах, сканерах и смартфонах (ПЗС или КМОП-сенсоры) состоят из миллионов миниатюрных фотодиодов (пикселей). В каждом из них под действием света (внутренний фотоэффект) генерируется электрический заряд, пропорциональный яркости попавшего на него света. Эти заряды затем считываются и преобразуются в цифровое изображение.

• Фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Это сверхчувствительные приборы, способные регистрировать очень слабые световые потоки, вплоть до отдельных фотонов. Свет выбивает электроны из фотокатода, которые затем ускоряются электрическим полем и, ударяясь о специальные электроды (диноды), вызывают эмиссию вторичных электронов. Происходит лавинообразное умножение числа электронов. ФЭУ применяются в ядерной физике, астрономии, медицине (например, в гамма-томографах) и спектроскопии.

• Воспроизведение оптической звукозаписи. В классическом кинематографе звуковая дорожка на кинопленке представляла собой область с переменной прозрачностью. Свет от лампы, проходя через эту дорожку, попадал на фотоэлемент. Изменения интенсивности света преобразовывались в колебания электрического тока, которые после усиления воспроизводились динамиком как звук.

• Приборы ночного видения. Слабый свет от ночного неба или из инфракрасного диапазона фокусируется на фотокатоде, выбивая из него электроны. Эти электроны усиливаются (например, в микроканальной пластине), а затем попадают на люминесцентный экран, создавая яркое видимое изображение.

Ответ: Фотоэффект применяется в фотоэлементах для автоматики и сигнализаций, в солнечных батареях для преобразования света в электроэнергию, в матрицах цифровых камер и сканеров для получения изображений, в фотоэлектронных умножителях для регистрации сверхслабых световых сигналов, в приборах ночного видения, а также ранее использовался для воспроизведения звука с кинопленки.