В кінці XIX століття Генріх Герц відкрив явище, що дозволяє з світлової енергії видобувати електрику. Воно отримало назву фотоефекту. В даній статті розглянемо детальніше цей ефект, а також відповімо на запитання, що таке червона межа фотоефекту.
Поняття про фотоефекті
Перед тим, як відповісти на питання, що таке червона межа фотоефекту, необхідно ближче познайомитися з цим фізичним явищем. Як можна пояснити це явище? Визначення фотоэффекту можна дати наступне: це процес утворення вільних від атомних ядер електронів в результаті опромінення речовини світлом.
Цей ефект був відкритий в 1887 році Герцем. У 1888 році російський фізик, Олександр Столєтов, провів ряд дослідів, в яких показав, що цей процес виникає миттєво після попадання світла на пластину конденсатора. Також вчений встановив перший закон фотоефекту: збільшення інтенсивності світла приводить до лінійного зростання струму в ланцюзі.
У 1905 році Ейнштейн опублікував статтю, в якій пояснив фотоефект квантовим характером взаємодії світла з речовиною.
Рівняння Ейнштейна для фотоефекту
Сучасне розуміння фотоефекту можна описати у вигляді такої моделі: падаючи на речовину, фотон зустрічається з електроном деякого атома, електрон повністю поглинає фотон, приймаючи від нього всю енергію. Якщо ця енергія більше деякого значення, то електрон виходить за область тяжіння атомного ядра і стає вільним.
Описаний процес виражається наступним рівністю енергій:
h*v = A + Ek
Тут h – постійна Планка , v – частота фотона, A – енергія, яку потрібно затратити, щоб “вирвати” з атома електрон, Ek – кінетична енергія вільного електрона.
Що таке червона межа фотоефекту?
Звернемо увагу на рівняння Ейнштейна, наведене в попередньому пункті. З нього випливає, що якщо енергія фотона буде менше роботи виходу електрона, то ніякого фотоефекту відбуватися не буде. Це означає, що явище спостерігається тільки в тому випадку, якщо:
h*v ≥ A.
Частота v0, відповідна величиною A, дістала назву червоної межі фотоефекту. Довжина хвилі, відповідна їй, обчислюється за формулою:
λ0 = c/v0 або λ0 = c*h/A.
Тут c – швидкість світла. Оскільки розглянуте явище спостерігається тільки для довжин хвиль світла менших, ніж λ0, то стає зрозумілим, чому це значення називають “червона межа” (червоний колір є верхньою межею по довжині хвилі для видимого людиною спектру).
Якщо говорити про λ0 для металів, то опромінення червоним кольором не може призвести до появи фотоефекту ні для одного з них, оскільки енергія “червоних” фотонів занадто низька, щоб “вирвати” електрон з атома. Найбільшим значенням λ0 мають лужні метали. Для них червона межа знаходиться в області зеленого і жовтого кольору (λ0≈520-580 нм).
Рішення задачі на визначення типу елемента
Розібравшись, що таке червона межа фотоефекту, вирішимо одну цікаву завдання для закріплення отриманих знань. Це допоможе краще розібратися в цьому фізичному явищі.
В деякій лабораторії вирішили скористатися фотоефектом для визначення виду хімічного елемента. До початку експерименту було встановлено, що це лужний метал першої групи таблиці Менделєєва Д. І.. Змінюючи значення довжини хвилі світла, яким опромінювали метал, визначили, що фотоефект починає спостерігатися при 525 нм. З яким елементом працювали в лабораторії?
Випишемо відповідну формулу для червоної межі фотоефекту:
λ0 = c*h/A
Звідки отримуємо:
A = c*h/λ0
Підставляючи відповідні константи і значення λ0 у вираз, отримуємо значення роботи виходу електрона для невідомого лужного металу:
A = c*h/λ0 = 3*108*4,13567*10-15/(525*10-9) = 2,363 ев
Відзначимо, що значення постійної Планка було підставлено в одиницях ев*с.
Робота виходу електрона A є унікальною характеристикою кожного хімічного елемента. Її можна переглянути у відповідній таблиці. Так, для лужних металів характерні такі значення ев:
- Li 2,93;
- Na 2,36;
- K 2,29;
- Cs 2,14;
- Rb 2,26.
Ці дані показують, що знайдене нами значення A відповідає натрію.
