Кожна людина, яка знайома з фізикою, знає, що електричну енергію можна отримати різними способами. До них відноситься явище електромагнітної індукції, ефект Зеєбека і фотоефект. Про останній з них піде мова в даній статті. Паралельно розглянемо питання, що таке червона межа фотоефекту.
Що таке фотоефект?
Відповідаючи коротко на це питання, слід сказати, що це явище, при якому падаючі на матеріал фотони “виривають” з нього електрони. Це явище називається зовнішнім фотоефектом. Воно було відкрито Герцем у 1887 році, а пояснення йому дав Ейнштейн у 1905 році.
Ейнштейн розглянув взаємодіє з речовиною світло у вигляді пучка квантів. Кожен квант поглинається електроном атома і передає йому всю свою енергію. Якщо енергія перевищує встановлене граничне значення, то електрон відривається від атомного ядра і стає вільним.
Зазначимо, що ідея Ейнштейна про квантовий характер взаємодії світла з матеріалом була шокуючою для фізики початку XX століття, оскільки в той час багато експерименти і теоретичні розрахунки вже підтвердили, що світло це електромагнітна хвиля.
Рівняння Ейнштейна і червона межа фотоефекту
У 1905 році, публікуючи свою теорію про процеси, що відбуваються при фотоефекті, Ейнштейн привів важливу формулу, яка тепер носить його прізвище. Вона записується в наступній формі:
h*v = A + Ek
Зрозуміти цю формулу просто: квант електромагнітного випромінювання з енергією h*v, де h = 4,13567*10-15 – Планка постійна в ев*с, v – частота хвилі в герцах, витрачає свою енергію на здійснення роботи A проти електростатичних сил і на повідомлення електрону кінетичної енергії (Ек).
Формула Ейнштейна показує, що якщо h*v
Якщо Ek = 0, тоді h*v = h*v0 = A. Частота v0, якій відповідає значення енергії фотона, рівну роботі A, називається червоною межею. Відповідно, довжина хвилі червоної межі фотоефекту обчислюється за формулою:
λ0 = c/v0
Тут c – швидкість світла. Довжина хвилі λ0 є найбільшою, при якій проявляється фотоефект. Для будь-яких довжин λ>λ0 фотони будуть лише переводити електрон в збуджений стан, але не зможуть його “відірвати” від ядра.
Червоної межа фотоефекту називається по аналогії з видимим спектром випромінювання, в якому червоний колір має найбільшу довжину хвилі.
Приклад розв’язання задачі
Розв’яжемо наступну проблему: необхідно відповісти на питання, чи буде спостерігатися фотоефект, якщо золото опромінювати монохроматичним пучком світла з довжиною хвилі 300 нм.
Спочатку слід знайти червону межу фотоефекту для золота. Звернувшись до табличними даними, випишемо роботу виходу електрона для золота. Вона дорівнює 5,1 ев. Червона межа для металу обчислюється за формулою:
λ0 = c/v0 =c*h/A
Підставляємо значення, отримуємо:
λ0 = 3*108*4,13567*10-15/5,1 = 2,43*10-7 м або 243 нм
Оскільки довжина хвилі світла, яким будуть опромінювати золото (300 нм) більше, ніж значення червоної межі для нього (243 нм), то енергії фотонів буде недостатньо, щоб “вирвати” електрони з атома цього металу, тобто фотоефекту не буде.
