Частота, яркость и запирание фототока
Измени энергию фотона, интенсивность и напряжение. Проследи порог и торможение.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Работа выхода 2 эВ. При постоянном условном квантовом выходе ток насыщения пропорционален интенсивности / энергии фотона; зависимость сбора от торможения линейно упрощена. Точные свойства фотокатода не задаются.
Что измеряют в опыте
Внешний фотоэффект — выход электронов из вещества под действием света. В учебной установке освещают катод, а электрическое поле между электродами помогает собрать электроны или тормозит их. Фототок показывает перенос заряда, а не непосредственно энергию каждого электрона.
Увеличивая ускоряющее напряжение, можно собрать практически все испущенные электроны: наступает ток насыщения. Тормозящее поле уменьшает число достигших анода электронов. При достаточном запирающем напряжении даже самые быстрые не достигают анода.
Свет на катоде
Может вызвать выход электронов
Поле между электродами
Ускоряет или задерживает их
Измерение тока
Показывает поток собранных зарядов
Фотоэффект и сбор фотоэлектронов полем — два разных этапа.
Обязательно ли нулевой измеренный фототок означает отсутствие вылетевших электронов?
Нет. Тормозящее поле может не пропустить их к аноду, хотя эмиссия с катода происходит.
Три экспериментальные зависимости
При неизменной частоте выше порога и неизменной поверхности ток насыщения пропорционален интенсивности света. Но максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется частотой, а не интенсивностью. Для каждого материала существует пороговая частота.
Ниже порога обычный однофотонный фотоэффект не возникает при увеличении интенсивности в рассматриваемом школьном режиме. Выше порога процесс не требует длительного накопления энергии электроном от непрерывной слабой волны. Эти наблюдения привели к квантовому объяснению.
| Меняем | Наблюдаем при прочих равных |
|---|---|
| Интенсивность выше порога | Меняется ток насыщения |
| Частоту выше порога | Меняется максимальная энергия |
| Частоту ниже порога | Однофотонной эмиссии нет |
Интенсивность управляет числом событий, а частота — энергией одного фотона.
Почему увеличение яркости не заменяет повышение частоты?
Оно даёт больше фотонов той же энергии, а для выхода одного электрона нужна достаточная энергия отдельного поглощённого фотона.
Выход электрона с поверхности вещества
Фотон передаёт энергию электрону. Для выхода из вещества нужно преодолеть работу выхода; остаток ограничивает максимальную кинетическую энергию.
Ponor · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Солнечные панели в Уайандотте, США
Фотоэлектрические панели преобразуют энергию света в электрическую. Это не внешний фотоэффект с вылетом электронов в вакуум: носители работают внутри материала.
Rmhermen · CC BY-SA 4.0 · Источник фотографии.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
От квантования к балансу
Планк ввёл квантование обмена энергией с частотой ν: порция энергии ε = hν. Для объяснения фотоэффекта Эйнштейн использовал представление о световых квантах. Один фотон передаёт энергию одному электрону в простейшем однофотонном процессе.
Часть энергии тратится на выход из вещества. Максимальная оставшаяся часть становится кинетической энергией электрона. Реальная поверхность и потери внутри вещества создают распределение энергий, поэтому речь идёт именно о максимальной энергии.
Энергия кванта
ε = hν
Энергия выхода
Зависит от вещества и поверхности
Остаток энергии
Определяет Kmax
Фотоэффект объясняется дискретной передачей энергии света электронам.
Почему не все электроны имеют одну скорость?
Они могут терять различную энергию до выхода и находиться в разных начальных состояниях. Уравнение задаёт верхнюю границу энергии.
Модель: порог и задержка
В модели работа выхода выбрана равной 2 эВ. Меняй энергию фотона, интенсивность и напряжение коллектора. При ε < 2 эВ эмиссия отсутствует; выше порога рост интенсивности увеличивает насыщение, а более сильное торможение уменьшает собранный ток.
Форма участка вольт-амперной характеристики упрощена и служит объяснению: она не является точной характеристикой конкретного фотокатода. При ε = 3 эВ максимальная энергия 1 эВ и запирающее напряжение по модулю 1 В. При увеличении интенсивности этот предел не смещается.
Сначала проверить порог
Хватит ли энергии фотона на выход
Найти максимальную энергию
Избыток над работой выхода
Учесть поле
Дойдут ли электроны до анода
Запирающее напряжение связано с энергией самых быстрых электронов, а не с количеством фотонов.
Влияет ли увеличение интенсивности при той же частоте на запирающее напряжение?
В школьной однофотонной модели — нет, потому что максимальная энергия остаётся прежней.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 27. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 27. Фотоэффект. Экспериментальные законы внешнего фотоэффекта.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.
Дополнительная проверка: OpenStax: фотоэлектрический эффект.