Фотоэффект

Слайд 1. Фотоэффект: как свет превращается в ток

Основы квантовой физики, законы Столетова и уравнение Эйнштейна для 11 класса

Слайд 2. Что такое фотоэффект?

Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием падающего на него света.

Представьте свет не как волну, а как поток «шариков» — фотонов. Когда такой фотон врезается в атом металла, он передаёт свою энергию электрону, буквально выбивая его наружу.

Это открытие доказало, что свет обладает свойствами частиц, что перевернуло представления физиков начала XX века.

Слайд 3. Как это изучали: установка Столетова

Для изучения явления использовалась вакуумная трубка с двумя электродами:

— Катод: освещается светом, испускает электроны.

— Анод: принимает электроны, создавая ток.

— Гальванометр: фиксирует наличие даже самого слабого тока.

— Вакуум: необходим, чтобы воздух не мешал движению частиц.

Слайд 4. Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

График показывает зависимость силы тока от напряжения.

1. Задерживающее напряжение ($U_z$): при отрицательном значении ток прекращается.

2. Ток насыщения: при достижении определённого напряжения ток перестаёт расти, так как все выбитые электроны уже достигают анода.

Слайд 5. Три закона фотоэффекта

1. Количество электронов, выбиваемых светом за 1 секунду, прямо пропорционально интенсивности светового потока.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. Существует «красная граница» — минимальная частота (${\nu }_{min}$), ниже которой фотоэффект не происходит вообще, какой бы мощный свет мы ни использовали.

Слайд 6. Противоречие классической физике

Считалось, что энергия электрона должна зависеть от яркости (амплитуды волны) света. Но эксперименты показали, что яркость влияет только на количество, а не на скорость электронов.

Эйнштейн предположил, что электрон поглощает только один квант света (фотон) целиком. Энергия фотона $E=h\nu$ определяет всё: и возможность вылета, и скорость.

Слайд 7. Уравнение Эйнштейна и энергия

Слайд 8. Где применяется фотоэффект?

Прямое преобразование солнечного света в электричество для домов и спутников.

Автоматическое включение уличных фонарей и работа турникетов в метро.

Матрица цифрового фотоаппарата фиксирует фотоны и превращает их в пиксели изображения.

Усиление слабого потока фотонов для получения видимого изображения в темноте.

Слайд 9. Вопросы для обсуждения

— Почему при освещении металла красным светом тока может не быть, а при фиолетовом он появляется?

— Как изменится ток насыщения, если мы поставим лампу в два раза ближе к катоду?

— Зависит ли работа выхода электрона от того, каким светом мы светим на металл?

— Почему фотоэффект называют «мгновенным» явлением?

Слайд 10. Подведём итоги

Фотоэффект доказал корпускулярную природу света.

Энергия фотона $E=h\nu$ тратится на работу выхода $A_{\text{вых}}$ и кинетическую энергию $E_k$.

Уравнение Эйнштейна: $h\nu =A_{\text{вых}}+\frac{m{v}^2}{2}$.

Красная граница зависит только от материала поверхности.

Без этого открытия не было бы современной электроники и солнечной энергетики.