Фотоэлектрический эффект. Часть 2

Начало статьи читайте здесь.

Чтобы помочь нам понять, почему они сделали эти предсказания, мы можем сравнить световую волну с водной волной. Представьте себе несколько пляжных мячей на пирсе, который простирается в океан. Пирс представляет собой металлическую поверхность, пляжные мячи представляют собой электроны, а океанские волны представляют собой световые волны.

Если бы одна большая волна потрясла пирс, мы ожидали бы, что энергия большой волны заставит пляжные мячи улететь с пирса с гораздо большей кинетической энергией по сравнению с одной маленькой волной. Это относится к тому во что верили физики, если бы интенсивность света была увеличена.

Ожидалось, что амплитуда света будет пропорциональна энергии света, поэтому предсказывалось, что свет с большей амплитудой приведет к появлению фотоэлектронов с большей кинетической энергией.

Классические физики также предсказали, что увеличение частоты световых волн (с постоянной амплитудой) увеличит скорость выбрасывания электронов и, следовательно, увеличит измеренный электрический ток. Используя аналогию с пляжным мячом, ожидалось, что волны, ударяющие о пирс с высокой частотой, приведут к тому, что больше пляжных мячей будут сбиваться с пирса по сравнению с волнами того же размера, которые ударяются о пирс реже.

Когда были проведены эксперименты для изучения влияния амплитуды и частоты света,
были получены следующие результаты:

• Кинетическая энергия фотоэлектронов увеличивается с частотой света.
• Электрический ток остается постоянным при увеличении частоты света.
• Электрический ток увеличивается с увеличением амплитуды света.
• Кинетическая энергия фотоэлектронов остается постоянной с увеличением
  амплитуды света.

Эти результаты полностью противоречили прогнозам, основанным на классическом описании света как волны. Чтобы объяснить, что происходит, оказалось, что нужна совершенно новая модель света.

Эта модель была разработана Альбертом Эйнштейном, который предположил, что свет иногда ведет себя, как частицы электромагнитной энергии, которые мы теперь называем фотонами.

Энергия фотона может быть рассчитана с использованием уравнения Планка:

$E_{фотон} = hν$,

где $E_{фотон}$– энергия фотона в джоулях (Дж), $h$–постоянная Планка, а $ν$ частота света в герцах.

Согласно уравнению Планка, энергия фотона пропорциональна частоте света $ν$, амплитуда света тогда пропорциональна количеству фотонов с заданной частотой.

Частота света и пороговая частота

Мы можем представить падающий свет как поток фотонов с энергией, определяемой частотой света. Когда фотон попадает на поверхность металла, энергия фотона поглощается электроном в металле. Изображение ниже иллюстрирует взаимосвязь между частотой света и кинетической энергией выброшенных электронов.

Влияние частоты волн на фотоэмиссию.

Частота красного света (слева) меньше пороговой частоты этого металла $ν_{кр}$ < $ν_0$, таким образом, электроны не выбиваются. Зеленый (средний) и синий свет (справа) имеют $ν$ > $ν_0$, так что оба вызывают фотоэмиссию. Синий свет с большей энергией испускает электроны с большей кинетической энергией по сравнению с зеленым светом.

Ученые заметили, что если падающий свет имел частоту меньше минимальной частоты $ν_0$ , то электроны не выбивались бы независимо от амплитуды света. Эта минимальная частота также называется пороговой частотой и значение $ν_0$ зависит от металла. Для частот больше $ν_0$ электроны будут выбиты из металла. Кроме того, кинетическая энергия фотоэлектронов будет пропорциональна частоте света.

Поскольку амплитуда света поддерживается постоянной по мере увеличения частоты света, количество фотонов, поглощаемых металлом, остается неизменным. Таким образом, скорость, с которой электроны выбрасываются из металла, также остается постоянной.

Не знаете, где заказать написание статьи по физике на заказ? Авторы Студворк к вашим услугам!

Тест по теме «Фотоэлектрический эффект»