7.4: Фотоэлектрический эффект

Когда свет определенной длины волны попадает на металлическую поверхность, электроны испускаются. Это называется фотоэффектом. Минимальная частота света, которая может вызвать такое излучение электронов, называется пороговой частотой, которая характерна для металла. Свет с частотой ниже пороговой частоты, даже если он имеет высокую интенсивность, не может инициировать излучение электронов. Однако если частота превышает пороговое значение, количество выбрасываемого электронов прямо пропорционально интенсивности пучка.

Согласно классической волновой теории, энергия волны зависит от ее интенсивности (которая зависит от ее амплитуды), а не от ее частоты. Одна из частей этих наблюдений заключалась в том, что по мере увеличения яркости количество электронов, выброшенных в течение заданного периода времени, увеличивалось. В 1905 году Альберт Эйнштейн смог разрешить этот парадокс, включив результаты квантования Планка в дискредитированное представление о частице света.

Эйнштейн утверждал, что квантованные энергии, которые постулировал Планк, могут быть применены к свету в фотоэффекте. Свет, ударяя по металлической поверхности, не следует рассматривать как волну, Но вместо этого следует рассматривать как поток частиц (впоследствии называемых фотонами), энергия которых зависела от их частоты, количество энергии (E) в пакете света зависит от его частоты (ν) по следующей формуле:

Где h – константа Планка.

Фотоэлектрический эффект можно описать, предположив, что свет квантизирован. Для преодоления энергии связывания (Φ), испытываемой электроном, требуется определенная минимальная энергия. Это также называется рабочей функцией (W) металла.

Так как электроны в металле имеют определенное количество энергии связывания, чтобы удержать их там, падающий свет должен иметь больше энергии, чтобы освободить электроны. Фотоны низкочастотного света не содержат достаточного количества энергии для выброса электронов из металла. Даже если металл длительное время подвергается воздействию такого света, излучение электронов не наблюдается. Электрон может быть испущен только в том случае, если фотон с энергией, превышающей рабочую функцию, ударяет по металлу.

Избыточная энергия фотона преобразуется в кинетическую энергию испускаемого электрона.

Таким образом, электроны выбрасываются при попадании фотонов с достаточной энергией (частота превышает пороговое значение). Чем больше частота падающего света, тем больше кинетическая энергия, передаваемая столкновениями с выделяемыми электронами. Эйнштейн также утверждал, что интенсивность света не зависела от амплитуды входящей волны, а вместо этого соответствовала количеству фотонов, поражающих поверхность в течение заданного периода времени. Количество выбрасанных электронов увеличивается с увеличением яркости. Чем больше количество входящих фотонов, тем выше вероятность столкновения с некоторыми электронами.

Фотоэлектрический эффект убедительно указывает на поведение частиц света. Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году за объяснение фотоэлектрического эффекта. Хотя многие световые явления можно объяснить либо с помощью волн, либо с помощью частиц, некоторые явления, такие как интерференционные картины, полученные при прохождении света через двойную щель, полностью противоречили представлению о свете частицами, в то время как другие явления, такие как фотоэлектрические эффект, были полностью противоположны волновому взгляду на свет. Каким-то образом на глубоком фундаментальном уровне, все еще не полностью изученном, свет одновременно волнообразен и подобен частицам. Это известно как дуальность волна-частица.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 6.1: Электромагнитная энергия.

Когда свет с определенной длиной волны и частоты падает на металл, он выбивает электроны из металла. Это явление известно как фотоэлектрический эффект. Однако только свет с частотой выше порогового значения может выбивать электроны из металла.

Свет низкой частоты не выбивает электроны, независимо от его интенсивности. Почему так происходит? Альберт Эйнштейн предположил, что свет ведет себя как поток частиц или крошечных пучков.

Один пучок или квант света называется фотоном. Каждый фотон имеет энергию E, которая зависит от его частоты nu. Они связаны следующим уравнением, где h постоянная Планка и имеет значение 6, 626 умноженное на 10 в минус 34 степени джоулей в секунду.

Свет и, следовательно, фотоны более высокой частоты обладают большей энергией. Электрон связан с металлом с энергией связи фи. Она также известна как работа выхода металла W.Таким образом, для преодоления сил притяжения и выбивания электрона требуется энергия, превышающая W.Когда фотон с энергией выше W ударяется о металл, его избыточная энергия передается электрону в виде кинетической энергии, и электрон покидает атом.

Подводя итог явления фотоэлектрического эффекта, можно сделать вывод, что низкочастотный длинноволновый свет не выбивает электроны из металла. Увеличение интенсивности низкочастотного света только увеличивает количество фотонов. Каждый фотон по-прежнему имеет одинаковую энергию, которой недостаточно, чтобы выбить электроны.

Свет с меньшей длиной волны и частотой выше пороговой действительно выбивает электроны, потому что каждый фотон имеет более высокую энергию. По мере увеличения частоты света увеличивается энергия фотона и, следовательно, кинетическая энергия выбитого электрона. Чем больше интенсивность света, тем больше фотонов ударяется о металл и тем больше электронов выбивается.

Фотоэлектрический эффект демонстрирует поведение частиц света.