Каждый человек, который знаком с физикой, знает, что электрическую энергию можно получить различными способами. К ним относится явление электромагнитной индукции, эффект Зеебека и фотоэффект. О последнем из них пойдет речь в данной статье. Параллельно рассмотрим вопрос, что такое красная граница фотоэффекта.
Что такое фотоэффект?
Отвечая кратко на этот вопрос, следует сказать, что это явление, при котором падающие на материал фотоны "вырывают" из него электроны. Это явления называется внешним фотоэффектом. Оно было открыто Герцем в 1887 году, а объяснение ему дал Эйнштейн в 1905 году.
Эйнштейн рассмотрел взаимодействующий с веществом свет в виде пучка квантов. Каждый квант поглощается электроном атома и передает ему всю свою энергию. Если энергия превышает установленное пороговое значение, то электрон отрывается от атомного ядра и становится свободным.
Отметим, что идея Эйнштейна о квантовом характере взаимодействия света с материалом являлась шокирующей для физики начала XX века, поскольку в то время многие эксперименты и теоретические расчеты уже подтвердили, что свет - это электромагнитная волна.
Уравнение Эйнштейна и красная граница фотоэффекта
В 1905 году, публикуя свою теорию о процессах, происходящих при фотоэффекте, Эйнштейн привел важную формулу, которая теперь носит его фамилию. Она записывается в следующей форме:
h*v = A + Ek
Понять эту формулу просто: квант электромагнитного излучения с энергией h*v, где h = 4,13567*10-15 - Планка постоянная в эВ*с, v - частота волны в герцах, расходует свою энергию на совершение работы A против электростатических сил и на сообщение электрону энергии кинетической (Ek).
Формула Эйнштейна показывает, что если h*v<A, то фотоэффект не возникает. Этот факт подтверждается экспериментально. Один из законов фотоэффекта гласит, что от интенсивности излучения кинетическая энергия "вырванного" электрона не зависит, однако находится в прямой пропорциональности от частоты v.
Если Ek = 0, тогда h*v = h*v0 = A. Частота v0, которой соответствует значение энергии фотона, равное работе A, называется красной границей. Соответственно, длина волны красной границы фотоэффекта вычисляется по формуле:
λ0 = c/v0
Здесь c - скорость света. Длина волны λ0 является наибольшей, при которой проявляется фотоэффект. Для любых длин λ>λ0 фотоны будут лишь переводить электрон в возбужденное состояние, но не смогут его "оторвать" от ядра.
Красной граница фотоэффекта называется по аналогии с видимым спектром излучения, в котором красный цвет имеет наибольшую длину волны.
Пример решения задачи
Решим следующую проблему: необходимо ответить на вопрос, будет ли наблюдаться фотоэффект, если золото облучать монохроматическим пучком света с длиной волны 300 нм.
Сначала следует найти красную границу фотоэффекта для золота. Обратившись к табличным данным, выпишем работу выхода электрона для золота. Она равна 5,1 эВ. Красная граница для металла вычисляется по формуле:
λ0 = c/v0 =c*h/A
Подставляем значения, получаем:
λ0 = 3*108*4,13567*10-15/5,1 = 2,43*10-7 м или 243 нм
Поскольку длина волны света, которым будут облучать золото (300 нм) больше, чем значение красной границы для него (243 нм), то энергии фотонов будет недостаточно, чтобы "вырвать" электроны из атома этого металла, то есть фотоэффекта не будет.
