Фотоэффект

Свет как поток частиц и эффект, за который Эйнштейн получил Нобелевскую премию.

Фотоэффект — явление вырывания электронов из вещества под действием света.

В начале XX века выяснилось, что свет ведёт себя не только как волна, но и как поток частиц — фотонов. Каждый фотон несёт порцию (квант) энергии. Это объяснило загадку фотоэффекта.

Энергия фотона

$$ E = h\nu = \frac{hc}{\lambda} $$

где $h \approx 6{,}63 \cdot 10^{-34}$ Дж·с — постоянная Планка, $\nu$ — частота света, $c$ — скорость света.

Уравнение Эйнштейна

Энергия фотона тратится на работу выхода электрона и на его кинетическую энергию:

$$ h\nu = A_{вых} + \frac{m v^2}{2} $$

Если энергии фотона не хватает на работу выхода, фотоэффекта нет, какой бы яркой ни была лампа. Минимальная частота — «красная граница» фотоэффекта.

Как решать задачи

Задача: «Найдите энергию фотона зелёного света с частотой $6 \cdot 10^{14}$ Гц ($h = 6{,}63 \cdot 10^{-34}$ Дж·с)».

h = 6.63e-34
nu = 6e14
E = h * nu
print("Энергия фотона:", round(E, 22), "Дж")
print("В электронвольтах:", round(E / 1.6e-19, 2), "эВ")

Вывод:

Энергия фотона: 3.978e-19 Дж
В электронвольтах: 2.49 эВ

Частые ошибки

• Думать, что фотоэффект зависит от яркости света — он зависит от частоты (энергии фотонов).
• Путать частоту $\nu$ и длину волны $\lambda$ (они связаны как $\nu = c/\lambda$).
• Забывать работу выхода в уравнении Эйнштейна.

Итоги

• Энергия фотона $E = h\nu = hc/\lambda$.
• Уравнение Эйнштейна: $h\nu = A_{вых} + E_к$.
• Фотоэффект определяется частотой, а не яркостью света.