Урок 435. Теория фотоэффекта. Фотоэлементы

• Фотоэффект — это явление, при котором свет выбивает электроны из вещества.  

• Александр Столетов установил два закона фотоэффекта: фототок насыщения пропорционален интенсивности света и максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света.  

• Существует красная граница фотоэффекта, ниже которой фотоэффект не наблюдается.  

• Сегодняшний урок посвящен теории фотоэффекта.  

• Домашнее задание: конспект по учебнику Мякишева, параграфы 88 и 98.  

• Задачи: 10.8, 10.14, 10.18, 10.20, 10.22.  

• Классическая физика не может объяснить фотоэффект.  

• Увеличение интенсивности света не всегда приводит к фотоэффекту.  

• Ультрафиолетовое излучение выбивает электроны, несмотря на низкую интенсивность.  

• Эйнштейн объяснил фотоэффект, используя квантовую теорию Планка.  

• Свет излучается и поглощается порциями, квантами.  

• Кванты света можно считать частицами, фотонами.  

• Энергия кванта света равна работе выхода плюс кинетическая энергия фотоэлектрона.  

• Это уравнение объясняет оба закона фотоэффекта.  

• Интенсивность света определяется количеством фотонов, а не амплитудой волны.  

• Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно связана с частотой света.  

• Красная граница фотоэффекта — это минимальная частота, при которой фотоэффект еще наблюдается.  

• Длина волны красной границы определяется формулой: λmax = c/νmin.  

• Теория фотоэффекта Эйнштейна проста и элегантна.  

• Эйнштейн получил Нобелевскую премию за теорию фотоэффекта.  

• Модель фотонов объясняет, как свет распространяется и взаимодействует с веществом.  

• Работа выхода измеряется в электрон-вольтах и зависит от вещества.  

• Пример: калий имеет работу выхода 2.2 электрон-вольта, что соответствует 3.52*10^-19 Дж.  

• Это позволяет определить длину волны красной границы фотоэффекта: 564 нм для калия.  

• Фотокатод из калия регистрирует видимое излучение, кроме красного.  

• Цинк имеет работу выхода 4.2 электрон-вольта, что соответствует 6.7*10^-19 Дж.  

• Красная граница фотоэффекта для цинка составляет 296 нм, что выходит за пределы видимого диапазона.  

• Внешний фотоэффект используется в фотоэлементах для преобразования света в электричество.  

• Примеры: кинопроекторы, фотореле в метро.  

• Фотоэлемент состоит из стеклянного баллона с вакуумом, фотокатода и анода.  

• Фотоэлемент имеет стеклянный баллон с вакуумом и фотокатодом из цезия-калия.  

• Анод может быть металлическим кольцом или пластинкой.  

• Вакуум необходим для беспрепятственного движения электронов.  

• Фотоэлемент обозначается на электронных схемах как фотокатод и анод.  

• Для создания электрической цепи катод фотоэлемента соединяется с отрицательным полюсом источника тока.  

• Ток, протекающий через нагрузочный резистор, пропорционален освещенности фотокатода.  

• Фотореле усиливает сигнал и замыкает электромагнитное реле.  

• Реле управляет исполнительным механизмом, например, в метро.  

• Фотореле используется для предотвращения несанкционированного прохода.  

• Внешний фотоэффект практически не используется, но внутренний фотоэффект применяется в полупроводниках.  

• Фоторезисторы используют внутренний фотоэффект для регистрации света.  

• Фоторезисторы обозначаются на схемах как обычные резисторы с двумя стрелками.  

• При контакте электронного и дырочного полупроводников образуется граница между ними.  

• В области с большим количеством электронов и малым количеством дырок электроны диффудируют в область с меньшим количеством электронов, создавая избыточный отрицательный заряд.  

• В результате образуется внутреннее электрическое поле.  

• При освещении области с внутренним электрическим полем появляются свободные электроны и дырки.  

• Дырки движутся под действием внутреннего поля, а электроны, выбитые светом, движутся в противоположном направлении.  

• Это явление называется фотовольтаическим эффектом, и оно лежит в основе работы солнечных батарей.  

• Солнечные батареи преобразуют энергию светового излучения в электрическую энергию.  

• Современные полупроводниковые солнечные батареи имеют КПД выше 10%.  

• Изготовление солнечных батарей требует меньше энергии, чем они вырабатывают за время службы, что делает их экономически выгодными.  

• В Украине уже существует множество солнечных электростанций, включая поле в Одесской области.