Фотоэффект — явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

Начинаем резко и не понятно. А представляешь, каково было физикам, когда они это обнаружили?

Генрих Герц, которого мы знаем по изучению частоты, спокойно работал в своей лаборатории с электрическими цепями. В тот день 1886 года на столе у него была металлическая пластинка и прибор для измерения заряда — электроскоп. Чтобы лучше видеть свои эксперименты, он осветил пластинку яркой лампой. А заряд с пластинки начал куда-то пропадать. 

Герц заметил это и провел еще несколько экспериментов. Он выяснил, что:

1. если заряд у пластинки отрицательный, то от света он быстро пропадет;
2. если пластинка заряжена положительно, как ты в начале каникул, то от света с ее зарядом вообще ничего не случится;
3. а если поместить между лампой и пластиной с отрицательным зарядом стекло — заряд не будет изменяться.

Из этого ученый сделал вывод, что свет как-то влияет на электроны, которых много на поверхности металла. Лучи как будто выхватывали заряд и забирали себе. А то, что стекло такой интересный эффект оказало, навело Герца на мысль, что от длины волны обнаруженное явление тоже как-то будет зависеть.

Прокачал задумку Герца русский физик А.Г. Столетов. Он придумал очень хитрую установку, сделал ловушку для света, чтобы тот показал все, на что способен. 

Он взял стеклянную колбу, удалил из неё воздух (организовал вакуум), и поместил внутрь два электрода, чтобы в цепь можно было собрать. А еще в конструкции сделали ловушку: небольшое окошко из кварца, в которое Столетов собирался светить. Кварц, в отличие от обычного стекла, остается прозрачным и в ультрафиолете тоже.

В собранном варианте цепь получилась странной. Из-за разделенных электродов в колбе ток не шел через цепь. Столетов зарядил электрод напротив окошка отрицательно и включил лампу. Подключенные вместе с колбой в цепи приборы зафиксировали ток, который из-за своей природы стал называться фототоком!

Как только физики нашли фотоэффект и получили фототок, сразу стали искать, по каким правилам он работает. Вышло целых три закона. Поговорим обо всех по порядку.

Первый закон фотоэффекта

Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.

Столетов обнаружил, что если при определенном свете менять напряжение его установки, то сила тока будет расти, но только до какого-то значения.

Фототок — такой же ток, как и в проводах, только получается под действием света. Без напряжения электроны будут лететь во все стороны, и только часть долетит до другого электрода. Когда напряжение увеличится, больше электронов полетят туда, куда нам надо. Их потащит туда электрическим полем. Поэтому в какой-то момент сила тока перестанет меняться — все возможные электроны, которые выбил свет из первого электрода, прилетели на второй.

Если мы будем сильнее светить на электрод через окошко и тратить больше энергии, чтобы выбить светом электроны (поток света Ф1), то неожиданно и приятно сила тока в сети будет расти, ведь электронов побежит по проводам больше (чем при более слабом освещении с потоком света Ф2).

Второй закон фотоэффекта

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте падающего на катод излучения и не зависит от интенсивности этого излучения.

Электродинамика в объяснении этого явления физикам не помогла. Так что пришлось копать глубже: аж в квантовую теорию света. 

Смотри, в чем странность: без напряжения в цепи все равно останется какой-то ток, значит, электроны будут долетать от одного электрода к другому. 

Если мы изменим подключение в цепи, и напротив окошка окажется положительный электрод вместо отрицательного, то сила тока сойдет на нет, но только при каком-то задерживающем напряжении.  

Нам это говорит о том, что мы нашли такую энергию от электрического поля, которая равна кинетической силе электронов и тормозит их, не дает долетать до второго электрода.

Величина этого напряжения будет зависеть от частоты излучения. Чем частота выше, тем больше потребуется запирающего напряжения.

Третий закон фотоэффекта

Фотоэффект не будет наблюдаться при облучении электрода светом с частотой ниже минимального значения.

Эта частоту света еще называют красная граница фотоэффекта. Она будет разной для разных веществ. 

Пусть на нашей опытной установке светит свет частоты, нужной, чтобы появился фототок. И он есть и течет по проводам. Начнем потихоньку уменьшать частоту излучения (или увеличивать длину волны, эти вещи обратно связаны между собой), и в какой-то момент ток пропадет.

Когда мы двигаемся по видимому диапазону, то при уменьшении частоты мы переходим от фиолетового света с самой большой частотой к красному свету с самой маленькой. Дальше у способностей нашего глаза появляются лапки, и больше мы увидеть не можем. 

По аналогии для человеческой границы восприятия света, для фотоэффекта в материалах предельную частоту излучения назвали красной границей. При этом свету не обязательно быть красным. Для натрия, например, фототок возможен до излучения с длиной волны 680 нм, а это оранжевый.

Эйнштейн объяснил фотоэффект с помощью идей Планка о прерывистом испускании света источником. 

— уравнение Эйнштейна

Поговорим о каждом элементе этого уравнения.

— это энергия одной порции света. Весь поток света от лампы — как нарезанный хлеб в пакете. Один кусок обладает своей энергией, которой он действует на наше чувство сытости. А порция света тратит свою энергию на вытаскивание электронов.

В этой формуле h — постоянная Планка;

h = 4·10^–15 эВ·с = 6·10^–34 Дж·с;

v — частота излучения кванта.

Следующее, что ждет нас в уравнении Эйнштейна — работа выхода.

Работа выхода А — минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Работа выхода зависит от материала. Ее значение можно найти для определенных металлов и спокойно использовать везде дальше для такого материала.

После того, как свет оторвал электрон, последнему нужно дать энергии, чтобы полететь в сторону другого электрона. Это будет кинетической энергией электрона

Скорость электронов будет определяться частотой света, работой выхода. А вот интенсивность света на нее никак не повлияет.

Фотоэффект — это..?

а) явление вырывания электронов с поверхности металла под действием света;

б) явление накопления отрицательного заряда на поверхности металла под действием света;

в) явление, когда фотографии получаются нечетко.

Сколько существует законов фотоэффекта?

а) 1;

б) 2;

в) 3.

Что Не входит в уравнение Эйнштейна для фотоэффекта?

а) кинетическая энергия электронов;

б) потенциальная энергия квантов света;

в) работа выхода электронов с поверхности металла.