Почему красный свет не даёт тока даже при большой яркости?

Один фотон должен преодолеть работу выхода. У длинноволнового фотона энергия hc/λ мала: если она меньше φ, электрон не вылетает, сколько бы фотонов ни падало. Классическая волна предсказывала бы накопление энергии со временем — опыт это опровергает.

Что измеряет задерживающий потенциал?

Это обратное напряжение V_s, при котором самые быстрые фотоэлектроны уже не долетают до коллектора и ток падает до нуля. Тогда eV_s = K_max, и по графику V_s(f) проверяют уравнение Эйнштейна и находят φ.

Как смена металла меняет опыт?

Разные металлы имеют разную работу выхода. Большая φ сдвигает красную границу в сторону большей частоты (меньшей длины волны) и при той же f уменьшает K_max = hf − φ.

От чего зависит ток насыщения?

От числа фотонов в секунду, то есть от интенсивности (и от того, что hf > φ). Форма ВАХ: рост до насыщения при прямом напряжении и обрыв при V_s — все электроны имеют энергию не выше K_max.

Фотоэффект

Энергия фотона hc/λ и работа выхода φ; K_max, задерживающий потенциал V_s, ток от длины волны и интенсивности.

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

Графики

О модели

Фотоэффект — выбивание электронов с металла квантами света. Уравнение Эйнштейна: K_max = hf − φ = hc/λ − φ, где K_max — максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, h — постоянная Планка, f (или c/λ) — частота фотона, φ — работа выхода. Если hf < φ, электроны не вылетают при любой интенсивности — это красная граница. Выше границы K_max растёт линейно с частотой и не зависит от интенсивности; задерживающий потенциал связан соотношением eV_s = K_max. Модель: одна работа выхода, монохроматический свет, вакуум без рассеяния и нагрева. Интенсивность меняет число фотоэлектронов (ток насыщения), но не K_max.

Для кого: Старшие классы и начало вуза: кванты света, работа выхода и красная граница фотоэффекта.

Ключевые понятия

фотоэффект
работа выхода
фотон
задерживающий потенциал
красная граница фотоэффекта
постоянная Планка
уравнение Эйнштейна

Как это работает

Порог фотоэффекта: hν > φ. Тогда K_max = hν − φ и задерживающий потенциал V_s = K_max/e. Графики I(V) (обрыв тока при V ≥ V_s), I(ν) и K_max(ν): наклон h, пересечение с осью частот при ν₀ = φ/h. Ток насыщения при V = 0 растёт с интенсивностью, K_max от интенсивности не зависит.

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 красный свет не даёт тока даже при большой яркости?: Один фотон должен преодолеть работу выхода. У длинноволнового фотона энергия hc/λ мала: если она меньше φ, электрон не вылетает, сколько бы фотонов ни падало. Классическая волна предсказывала бы накопление энергии со временем — опыт это опровергает.
Что измеряет задерживающий потенциал?: Это обратное напряжение V_s, при котором самые быстрые фотоэлектроны уже не долетают до коллектора и ток падает до нуля. Тогда eV_s = K_max, и по графику V_s(f) проверяют уравнение Эйнштейна и находят φ.
Как смена металла меняет опыт?: Разные металлы имеют разную работу выхода. Большая φ сдвигает красную границу в сторону большей частоты (меньшей длины волны) и при той же f уменьшает K_max = hf − φ.
От чего зависит ток насыщения?: От числа фотонов в секунду, то есть от интенсивности (и от того, что hf > φ). Форма ВАХ: рост до насыщения при прямом напряжении и обрыв при V_s — все электроны имеют энергию не выше K_max.

Продолжите с близкими темами в этой категории — или все 65 в «Электричество и магнетизм».

Вся категория →

НовоеШкольные