Почему ток не течёт, когда я использую длинноволновый (красный) свет, даже при очень высокой интенсивности?

В этом заключается главный квантовый парадокс. Для вырывания электрона требуется, чтобы один фотон имел достаточно энергии для преодоления работы выхода металла. Длинноволновые фотоны обладают малой энергией (E = hc/λ). Если эта энергия меньше работы выхода, ни один фотон не сможет выбить электрон, независимо от их количества (высокой интенсивности). Это противоречит классической волновой теории, которая предсказывает, что достаточная энергия волны в конечном счёте всегда должна освобождать электрон.

Что такое задерживающий потенциал и какую информацию даёт его измерение?

Задерживающий потенциал (V_s) — это обратное напряжение, приложенное между электродами, которого как раз достаточно, чтобы остановить самые быстрые фотоэлектроны и не дать им достичь коллектора, снизив фототок до нуля. Поскольку работа, совершаемая напряжением над электроном, равна eV_s, измерение V_s непосредственно даёт максимальную кинетическую энергию: K_max = eV_s. Это предоставляет экспериментальный способ изучить связь между энергией фотона (hf) и работой выхода (φ), подтверждая уравнение Эйнштейна.

Как замена металла-мишени влияет на эксперимент?

Разные металлы имеют разную работу выхода (φ). Металл с большей φ требует фотонов большей энергии (меньшей длины волны/большей частоты) для начала эмиссии, что сдвигает пороговую частоту. При той же частоте падающего света металл с большей φ даст фотоэлектроны с меньшей максимальной кинетической энергией, так как K_max = hf - φ. Именно поэтому такие материалы, как цезий (низкая φ), используются в практических светочувствительных устройствах.

Показывает ли симулятор полный график зависимости фототока от напряжения? Что означает его форма?

Типичная ВАХ показывает, что фототок быстро возрастает до уровня насыщения при небольшом прямом напряжении и падает до нуля при задерживающем потенциале при обратном напряжении. Ток насыщения пропорционален интенсивности света (числу фотонов в секунду), так как больше фотонов выбивает больше электронов. Резкий обрыв при V_s подтверждает, что все электроны имеют энергию, меньшую или равную K_max, что согласуется с предсказанием квантовой модели о мгновенном, квантованном переносе энергии.

Фотоэффект

Фотоэффект демонстрирует корпускулярную природу света: фотоны, падающие на металлическую поверхность, могут выбивать электроны. Данный симулятор моделирует ключевые экспериментальные зависимости. Процесс описывается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта: K_max = hf - φ = hc/λ - φ, где K_max — максимальная кинетическая энергия вылетающих фотоэлектронов, h — постоянная Планка, f (или c/λ) — частота (длина волны) фотона, а φ — работа выхода металла, минимальная энергия, необходимая для освобождения электрона. Симулятор наглядно показывает, как изменение длины волны (или частоты) и интенсивности падающего света влияет на эмиссию электронов. Ключевое предсказание: если энергия фотона hf меньше φ, электроны не испускаются независимо от интенсивности света, что устанавливает понятие красной границы фотоэффекта. Для фотонов с энергией выше границы K_max линейно зависит от частоты, но не от интенсивности. Модель также связывает K_max с задерживающим потенциалом V_s через соотношение eV_s = K_max, показывая, как обратное напряжение может остановить фототок. Студенты могут исследовать, как замена металла (и, следовательно, φ) сдвигает пороговую частоту. Симулятор упрощает реальность, предполагая единую работу выхода, идеальный монохроматический свет и идеализированные вакуумные условия без рассеяния электронов и тепловых эффектов. Взаимодействуя с моделью, учащиеся непосредственно проверяют квантовые принципы, которые не может объяснить классическая волновая теория, закрепляя понимание энергии фотона, квантования и экспериментальных доказательств корпускулярного поведения света.

Для кого: Учащиеся старших классов и студенты начальных курсов, изучающие современную физику, квантовую механику или корпускулярную природу света. Также будет полезен преподавателям для демонстрации исторических и концептуальных основ квантовой теории.

Ключевые понятия

Фотоэффект
Работа выхода
Фотон
Задерживающий потенциал
Красная граница фотоэффекта
Постоянная Планка

Графики

Свет

Длина волны λ350 nm

Интенсивность65 %

Материал катода

Работа выхода φ2.28 eV

Тормозящее напряжение

Тормозящее напряжение V (коллектор)0 V

Модель Эйнштейна: один фотон — один электрон при hν > φ. Насыщенный ток ∝ интенсивность; K_max = hν − φ, V_s = K_max/e. При заданном V ток обнуляется, если eV ≥ K_max (в эВ и вольтах численно совпадает). График K_max(ν) — прямая с наклоном h через ν₀ = φ/h.

Измеренные величины

E_фотона = hc/λ3.542eV

λ₀ = hc/φ543.8nm

ν₀ = φ/h5.513×10¹⁴ Hz

ν = c/λ8.565×10¹⁴ Hz

K_max1.262eV

V_s (торможение)1.262V

I_нас (при V = 0)0.650arb.

I при заданном V0.650arb.

h (эталон)4.1357e-15eV·s

Как это работает

Порог hν > φ; K_max = hν − φ, V_s = K_max/e. Добавлены графики I(V) (торможение до обрыва при V ≥ V_s), I(ν) и K_max(ν) — наклон h, пересечение с осью ν у ν₀ = φ/h. Насыщенный ток при V = 0 масштабируется с интенсивностью.

Основные формулы

E = hν = hc/λ (здесь E в эВ, λ в нм, hc ≈ 1240 эВ·нм)

K_max = E − φ при E > φ ; V_s = K_max / e

Часто задаваемые вопросы

Почему ток не течёт, когда я использую длинноволновый (красный) свет, даже при очень высокой интенсивности?: В этом заключается главный квантовый парадокс. Для вырывания электрона требуется, чтобы один фотон имел достаточно энергии для преодоления работы выхода металла. Длинноволновые фотоны обладают малой энергией (E = hc/λ). Если эта энергия меньше работы выхода, ни один фотон не сможет выбить электрон, независимо от их количества (высокой интенсивности). Это противоречит классической волновой теории, которая предсказывает, что достаточная энергия волны в конечном счёте всегда должна освобождать электрон.
Что такое задерживающий потенциал и какую информацию даёт его измерение?: Задерживающий потенциал (V_s) — это обратное напряжение, приложенное между электродами, которого как раз достаточно, чтобы остановить самые быстрые фотоэлектроны и не дать им достичь коллектора, снизив фототок до нуля. Поскольку работа, совершаемая напряжением над электроном, равна eV_s, измерение V_s непосредственно даёт максимальную кинетическую энергию: K_max = eV_s. Это предоставляет экспериментальный способ изучить связь между энергией фотона (hf) и работой выхода (φ), подтверждая уравнение Эйнштейна.
Как замена металла-мишени влияет на эксперимент?: Разные металлы имеют разную работу выхода (φ). Металл с большей φ требует фотонов большей энергии (меньшей длины волны/большей частоты) для начала эмиссии, что сдвигает пороговую частоту. При той же частоте падающего света металл с большей φ даст фотоэлектроны с меньшей максимальной кинетической энергией, так как K_max = hf - φ. Именно поэтому такие материалы, как цезий (низкая φ), используются в практических светочувствительных устройствах.
Показывает ли симулятор полный график зависимости фототока от напряжения? Что означает его форма?: Типичная ВАХ показывает, что фототок быстро возрастает до уровня насыщения при небольшом прямом напряжении и падает до нуля при задерживающем потенциале при обратном напряжении. Ток насыщения пропорционален интенсивности света (числу фотонов в секунду), так как больше фотонов выбивает больше электронов. Резкий обрыв при V_s подтверждает, что все электроны имеют энергию, меньшую или равную K_max, что согласуется с предсказанием квантовой модели о мгновенном, квантованном переносе энергии.

Другие симуляторы в этой категории — или все 56.

Вся категория →

НовоеШкольные