Фотоэффект

Механизм

Не каждая электромагнитная волна вызывает фотоэлектрический эффект, только излучение определенной частоты или выше вызывает эффект. Необходимая минимальная частота называется "частотой среза" или "пороговой частотой". Частота среза используется для нахождения рабочей функции, w {\displaystyle w} , которая представляет собой количество энергии, удерживающей электрон на поверхности металла. Рабочая функция является свойством металла и не зависит от входящего излучения. Если на поверхность металла падает свет с частотой, превышающей частоту отсечки, то излучаемый электрон будет обладать определенной кинетической энергией.

Энергия фотона, вызывающего фотоэлектрический эффект, определяется через E = h f = K E + w {\displaystyle E=hf=KE+w}. где h {\displaystyle h} - постоянная Планка, 6,626×10 ⁻³⁴Дж-с, f {\displaystyle f} - частота электромагнитной волны, K E {\displaystyle KE} - кинетическая энергия фотоэлектрона и w {\displaystyle w} - рабочая функция для металла. Если фотон имеет большую энергию, может произойти Комптоновское рассеяние (~ тысячи эВ) или образование пар (~ миллионы эВ).

Интенсивность света сама по себе не вызывает выброс электронов. Это может сделать только свет с частотой отсечки или выше. Однако увеличение интенсивности света приведет к увеличению числа испускаемых электронов, если только частота выше частоты отсечки.

История

Генрих Герц сделал первое наблюдение фотоэлектрического эффекта в 1887 году. Он сообщил, что искра быстрее проскакивает между двумя заряженными сферами, если на них падает свет. Для изучения эффекта, наблюдаемого Герцем, были проведены дальнейшие исследования. В 1902 году Филипп Ленард показал, что кинетическая энергия фотоэлектрона не зависит от интенсивности света. Однако только в 1905 году Эйнштейн предложил теорию, полностью объясняющую этот эффект. Теория гласит, что электромагнитное излучение представляет собой серию частиц, называемых фотонами. Фотоны сталкиваются с электронами на поверхности и излучают их. Эта теория противоречила убеждению, что электромагнитное излучение - это волна. Поэтому поначалу она не была признана правильной. В 1916 году Роберт Милликан опубликовал результаты экспериментов с использованием вакуумной фототрубки. Его работа показала, что фотоэлектрическое уравнение Эйнштейна очень точно объясняет поведение. Однако Милликан и другие ученые медлили с принятием теории Эйнштейна о световых квантах. Волновая теория электромагнитного излучения Максвелла не может объяснить фотоэлектрический эффект и излучение черного тела. Они объясняются квантовой механикой.