31.1 — Фотоэффект

При внешнем фотоэффекте свет выбивает электроны с поверхности. Энергия отдельного электрона определяется частотой, а число электронов — интенсивностью света при прочих равных.

ФГОС · 11 классФОП · базовый уровеньинтерактивная модель

фотоэффектработа выходакрасная границазапирающее напряжение

Физическая картина

Что происходит и какие границы имеет модель.

Главная идея

Существует красная граница: ниже пороговой частоты фотоэффекта нет.
Увеличение интенсивности не компенсирует недостаточную частоту.
Энергия фотона передаётся одному электрону порцией.

Как рассуждатьСначала назовите систему и взаимодействия, затем выберите величины и только после этого записывайте закон. Формула работает в пределах допущений модели.

Законы и величины

Символы следует читать как связь величин, а не как рецепт подстановки.

h\nu=A_{\text{вых}}+\frac{mv_{\max}^2}{2}

уравнение Эйнштейна

eU_{\text{з}}=\frac{mv_{\max}^2}{2}

запирающее напряжение

Разбор ситуации

Если частота ниже порога, даже очень яркий свет не выбивает электроны в однофотонном школьном режиме.

Связи и применение

В реальном мире

Если частота ниже порога, даже очень яркий свет не выбивает электроны в однофотонном школьном режиме.

Проверка модели

Сравнивайте предсказание с наблюдением, оценивайте единицы, порядок величины и влияние неучтённых факторов. Расхождение не всегда означает ошибку закона: часто идеализация перестаёт быть достаточной.

Что нужно понимать

Результат 1Объяснять физический смысл темы «Фотоэффект» через модель, а не только через формулу.

Результат 2Различать и корректно использовать термины: фотоэффект, работа выхода, красная граница.

Результат 3Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.

Термины темы

Определение должно указывать физический смысл, а не заменяться бытовым синонимом.

фотоэффект: Испускание электронов веществом при поглощении электромагнитного излучения.
работа выхода: Минимальная энергия, необходимая электрону для выхода из вещества.
красная граница: Наименьшая частота или наибольшая длина волны света, при которой для данного вещества ещё возможен фотоэффект.
запирающее напряжение: Обратное напряжение, при котором фототок наиболее быстрых фотоэлектронов прекращается.

Происхождение и вывод формул

Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.

h\nu=A_{\text{вых}}+\frac{mv_{\max}^2}{2}

следствие модели

Уравнение эйнштейна. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

E_\gamma=h\nu

Один электрон поглощает энергию одного фотона согласно квантовой модели света.

A_{\text{вых}}

Часть энергии расходуется на освобождение электрона из вещества; минимальная работа равна работе выхода.

h\nu=A_{\text{вых}}+K_{\max}=A_{\text{вых}}+\frac{mv_{\max}^2}{2}

Закон сохранения энергии даёт максимальную кинетическую энергию фотоэлектрона.

Условия: Однофотонный внешний фотоэффект, ν не ниже красной границы; нерелятивистские электроны, Aвых относится к данному материалу и состоянию поверхности. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

eU_{\text{з}}=\frac{mv_{\max}^2}{2}

следствие модели

Запирающее напряжение. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

A_{\text{поля}}=-eU_{\text{з}}

Запирающее поле совершает отрицательную работу над электроном, летящим к аноду.

K_{\text{кон}}=K_{\max}-eU_{\text{з}}

По закону изменения кинетической энергии поле уменьшает энергию самого быстрого фотоэлектрона.

K_{\text{кон}}=0\quad\Rightarrow\quad eU_{\text{з}}=K_{\max}=\frac{mv_{\max}^2}{2}

При запирающем напряжении даже самые быстрые электроны останавливаются.

Условия: Запирающее напряжение определено по прекращению фототока; e — модуль заряда электрона, контактными потенциалами пренебрегают. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

Границы модели и типичные ошибки

Ошибка: забыть условие моделиНельзя переносить формулу на любую ситуацию только из-за совпадения букв. Ключевое условие этой темы: Существует красная граница: ниже пороговой частоты фотоэффекта нет.

Как проверить рассуждениеУвеличение интенсивности не компенсирует недостаточную частоту. Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.

Вывод по теме

Фотоэффект

Существует красная граница: ниже пороговой частоты фотоэффекта нет.
Увеличение интенсивности не компенсирует недостаточную частоту.
Любой численный результат сопровождается единицей, знаком и объяснением его физического смысла.

Содержание сверено с ФРП по физике ООО/СОО 2025 года и тематикой действующих линий ФПУ: И. М. Пёрышкин и соавторы (7–9), Г. Я. Мякишев и соавторы (10–11); углубления — с линиями «Инженеры будущего» и В. А. Касьянова. Формулировки оригинальные, тексты учебников не воспроизводятся.