Почему свет способен выбивать электроны из вещества и от чего зависит их энергия? Разберёмся, как работает фотоэффект и какие закономерности лежат в его основе.
Что такое фотоэффект и как он возникает
Фотоэффект — процесс вырывания электронов из вещества, который вызван электромагнитным излучением.
Одним из основоположников её теории был Пётр Николаевич Столетов, который сформулировал три закона фотоэффекта. Чтобы их рассмотреть, нарисуем электрическую схему:
Свет, падая на фотокатод, выбивает из него электроны, траектории которых могут быть различными:
Электроны при вылете из фотокатода в начале своего движения имеют максимальную скорость $\vec{v}_m$. Далее некоторые из них могут долететь до анода, создавая ток в цепи.
При подключении источника постоянного напряжения между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое помогает движению электронов в сторону анода. С ростом прикладываемого напряжения растёт ток, фиксируемый амперметром.
При обратном включении источника электрическое поле меняет своё направление, препятствуя достижению электронами анода. При увеличении модуля напряжения ток постепенно уменьшается, пока не достигнет нулевого значения.
Фототок насыщения — ток, при котором все выбитые электроны достигают анода.
Зависимость фототока от напряжения и интенсивности света
Нарисуем график зависимости силы тока в цепи от напряжения между фотокатодом и анодом:
Как видно из графика, при нулевом напряжении сила тока в цепи не является максимальной, поскольку на анод попадают не все выбитые фотоэлектроны. С увеличением напряжения ток постепенно возрастает и в итоге достигает максимального значения — фототока насыщения.
Рассмотрим случай, в котором увеличили интенсивность света.
Интенсивность света — это количество энергии, падающей на единицу площади $S$ за время $t$.
$\text{Инт} = \frac{W}{S \cdot t}$
Здесь энергия света равна произведению количества фотонов и энергии одного фотона:
$W = N \cdot E_\text{ф} = N h\nu$
При увеличении интенсивности света возрастает число фотонов, падающих на фотокатод. В результате увеличивается и количество выбиваемых электронов, что приводит к росту тока насыщения.
Законы фотоэффекта (законы Столетова)
Первый закон: фототок насыщения пропорционален интенсивности света, падающего на фотокатод.
Второй закон: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от интенсивности.
Третий закон: для каждого вещества существует минимальная частота света (максимальная длина волны), называемая красной границей фотоэффекта, при которой ещё наблюдается фотоэффект. При этом минимальном значении энергии фотона электроны будут вылетать с нулевой скоростью.
Авторы:
Саня Эбонит, преподаватель «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ;
Кир Синюткин, методист «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ
