Номер 3, страница 200 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

3. Какое явление называют фотоэффектом?

3. Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света (или любого другого электромагнитного излучения). Эти электроны, вырванные светом, называют фотоэлектронами.

Различают внешний и внутренний фотоэффект:

Внешний фотоэффект — это испускание электронов с поверхности вещества (например, металла) в вакуум или другую среду. Именно это явление чаще всего подразумевают под термином "фотоэффект".

Внутренний фотоэффект — это перераспределение электронов внутри вещества (полупроводника или диэлектрика), при котором электроны, поглотив фотоны, переходят из связанных состояний в свободные (в зону проводимости), но не покидают пределы самого вещества. Это явление лежит в основе работы фоторезисторов и фотодиодов.

Законы внешнего фотоэффекта были установлены экспериментально Александром Столетовым и могут быть сформулированы следующим образом:

1. Сила фототока насыщения (то есть количество фотоэлектронов, испускаемых в единицу времени) прямо пропорциональна интенсивности падающего света.
2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует минимальная частота света $\nu_{кр}$ (называемая "красной границей" фотоэффекта), ниже которой фотоэффект не наблюдается, какой бы ни была интенсивность света.
4. Фотоэффект является практически безынерционным явлением, то есть испускание фотоэлектронов начинается практически мгновенно после начала освещения вещества.

Классическая волновая теория света не могла объяснить эти закономерности, в частности, существование "красной границы" и независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности света. Объяснение фотоэффекта было дано Альбертом Эйнштейном в 1905 году на основе квантовой гипотезы Макса Планка.

Эйнштейн предположил, что свет состоит из отдельных порций энергии — квантов, названных позднее фотонами. Энергия каждого фотона пропорциональна частоте света: $E = h\nu$, где $h$ — постоянная Планка ($h \approx 6.626 \times 10^{-34}$ Дж·с), а $\nu$ — частота света.

Согласно теории Эйнштейна, при фотоэффекте происходит поглощение фотона целиком одним электроном. Энергия фотона $h\nu$ расходуется на совершение работы выхода $A_{вых}$ (минимальной энергии, необходимой для удаления электрона с поверхности металла) и на сообщение вылетевшему электрону кинетической энергии $E_k$. Это описывается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта:

$h\nu = A_{вых} + E_k$

где $E_k$ — максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, которую можно также записать как $\frac{m_e v^2_{max}}{2}$.

Это уравнение полностью объясняет законы фотоэффекта:

— Из него следует, что кинетическая энергия $E_k = h\nu - A_{вых}$ линейно растет с частотой $\nu$ и не зависит от интенсивности света. Большая интенсивность означает большее число фотонов, что приводит к большему числу выбитых электронов (увеличению фототока), но не к увеличению их энергии.

— Фотоэффект возможен только в том случае, если энергия фотона достаточна для совершения работы выхода, то есть $h\nu \ge A_{вых}$. Минимальная частота, при которой это условие выполняется, и есть "красная граница": $\nu_{кр} = \frac{A_{вых}}{h}$. Если частота света $\nu < \nu_{кр}$, то энергии фотона недостаточно, чтобы вырвать электрон, и фотоэффект не происходит.

— Взаимодействие фотона с электроном — это единичный акт, который происходит практически мгновенно, что объясняет безынерционность фотоэффекта.

Ответ: Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения (например, видимого света). Явление объясняется тем, что свет состоит из частиц-фотонов, каждый из которых несет энергию $E=h\nu$. Эта энергия передается электрону, который, если энергия фотона превышает работу выхода ($A_{вых}$), покидает вещество, а избыток энергии переходит в его кинетическую энергию ($E_k$). Этот процесс описывается уравнением Эйнштейна: $h\nu = A_{вых} + E_k$.