Номер 6, страница 200 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

6. Как А. Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта?

6. Как А. Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта?

В начале XX века классическая волновая теория света не могла объяснить ключевые закономерности явления фотоэффекта (испускания электронов веществом под действием света). Например, она не могла объяснить, почему кинетическая энергия вылетающих электронов зависит от частоты света, а не от его интенсивности, и почему существует "красная граница" — минимальная частота, ниже которой фотоэффект не наблюдается.

В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил революционное объяснение, развив идеи Макса Планка о квантовании энергии. Эйнштейн предположил, что свет не только излучается и поглощается, но и распространяется в виде дискретных порций энергии, которые позже были названы фотонами.

Согласно гипотезе Эйнштейна:

1. Свет представляет собой поток частиц-фотонов, энергия каждого из которых прямо пропорциональна частоте света $\nu$:
$E = h\nu$
где $h$ — постоянная Планка.

2. Фотоэффект — это результат поглощения одного фотона одним электроном в веществе. Фотон передает всю свою энергию электрону.

3. Эта энергия $h\nu$ расходуется на то, чтобы вырвать электрон из металла (на совершение работы выхода $A_{вых}$), а оставшаяся часть переходит в кинетическую энергию $E_к$ вылетевшего электрона (фотоэлектрона).

Это привело Эйнштейна к формулировке знаменитого уравнения для фотоэффекта, которое является выражением закона сохранения энергии в этом процессе:
$h\nu = A_{вых} + E_{к,макс}$
где $E_{к,макс}$ — максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, $E_{к,макс} = \frac{mv^2_{макс}}{2}$.

Это уравнение блестяще объяснило все экспериментальные факты:

— Зависимость от частоты: Из уравнения видно, что максимальная кинетическая энергия $E_{к,макс} = h\nu - A_{вых}$ линейно зависит от частоты $\nu$.

— Красная граница: Фотоэффект возможен, только если энергия фотона достаточна для совершения работы выхода, то есть $h\nu \ge A_{вых}$. Минимальная частота $\nu_{min} = A_{вых}/h$, при которой начинается фотоэффект, и есть красная граница.

— Зависимость от интенсивности: Интенсивность света пропорциональна числу фотонов, падающих на поверхность в единицу времени. Больше фотонов — больше выбитых электронов, следовательно, больше сила фототока. Однако энергия каждого отдельного фотона (а значит, и кинетическая энергия выбитого им электрона) от интенсивности не зависит.

— Безынерционность: Процесс передачи энергии от фотона к электрону происходит практически мгновенно, что объясняет отсутствие временной задержки между началом освещения и возникновением фототока.

Ответ: А. Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, предположив, что свет состоит из дискретных частиц-фотонов, энергия которых равна $E = h\nu$. При поглощении фотона электроном энергия кванта света расходуется на работу выхода электрона из вещества и на сообщение ему кинетической энергии, что описывается уравнением $h\nu = A_{вых} + E_{к,макс}$.

7. Что такое фотоэлемент, где он применяется?

Фотоэлемент — это электронный прибор, который преобразует энергию света (фотонов) в электрическую энергию или изменяет свои электрические параметры (например, сопротивление) под действием света. Принцип его действия основан на явлении фотоэффекта.

Существует два основных типа фотоэффекта, на которых работают фотоэлементы:

1. Внешний фотоэффект: используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах. Свет падает на катод, покрытый светочувствительным слоем, и выбивает из него электроны. Эти электроны летят к аноду под действием электрического поля, создавая в цепи электрический ток (фототок), сила которого пропорциональна интенсивности света.

2. Внутренний фотоэффект: используется в полупроводниковых фотоэлементах. Под действием света в полупроводнике возникают свободные носители заряда (электроны и дырки), что приводит либо к увеличению его проводимости (фоторезисторы), либо к возникновению ЭДС на p-n переходе (фотодиоды и солнечные батареи).

Применение фотоэлементов очень широко и разнообразно:

— Автоматика и управление: датчики света для автоматического включения/выключения уличного освещения, системы открытия дверей, турникеты в метро, системы контроля наличия деталей на конвейере.

— Энергетика: солнечные батареи (фотоэлектрические преобразователи) для выработки электроэнергии. Они используются для питания спутников, космических станций, частных домов, калькуляторов и уличных фонарей.

— Измерительная техника: фотометры и экспонометры (в том числе в фотоаппаратах) для измерения освещенности и яркости.

— Системы безопасности: охранные сигнализации, реагирующие на прерывание светового луча, а также датчики дыма (оптические), которые срабатывают при рассеивании света частицами дыма.

— Связь и информация: приемники в оптоволоконных линиях связи, считывание штрих-кодов в магазинах, воспроизведение звука, записанного на кинопленке (оптическая звуковая дорожка).

— Медицина: пульсоксиметры для измерения уровня кислорода в крови, анализаторы биологических жидкостей.

Ответ: Фотоэлемент — это прибор, работающий на основе фотоэффекта и преобразующий световую энергию в электрический сигнал. Он применяется в системах автоматики (датчики света), энергетике (солнечные батареи), измерительной технике (экспонометры), системах безопасности (сигнализации) и связи (оптоволокно).