Условие задачи

Фотоэффект, т. е. свойство металлов испускать электроны под действием лучей света, характерен для щелочных металлов, например для цезия. Почему? Где это свойство на ходит применение?

Решение

Дисциплина задачи – квантовая физика (физика поверхностей и фотоэффекта).

Рассмотрим следующее. Фотоэффект описывается соотношением Эйнштейна:

hν = φ + Eₖ

где h – постоянная Планка, ν – частота падающего света, φ – работа выхода электрона из металла (энергия, необходимая для преодоления потенциала удержания электрона на поверхности металла), Eₖ – кинетическая энергия выбитого электрона.

Чтобы фотоэффект наблюдался, энергия фотона (hν) должна быть больше работы выхода φ. Щелочные металлы, например, цезий, обладают чрезвычайно низкой работой выхода (примерно около 1,95 эВ). Благодаря этому даже фотон с относительно небольшой энергией (например, из ультрафиолетовой области) способен понизить φ и выбить электроны из металла.

Пояснение причины:
1. Слабый атомный потенциал. В щелочных металлах внешние электроны слабо связаны с положительными ионами ядра, что делает их легче «извлекаемыми».
2. Низкая работа выхода φ. Именно это условие (малая φ) способствует тому, что условие hν > φ выполняется при более мягком излучении.

Применение данного свойства:
— Фотоэлементы. Фотоэффект лежит в основе работы фотокатодов, используемых в фотоумножителях, фотодиодах и других устройствах для преобразования света в электрический сигнал.
— Фотоэлектрические датчики и сенсоры. Используют принцип фотоэффекта для измерения интенсивности света.
— Исторически экспериментальное подтверждение квантовой природы света. Именно наблюдение фотоэффекта сыграло ключевую роль в развитии квантовой теории.

Таким образом, благодаря малой работе выхода щелочных металлов, таких как цезий, фотоэффект в них гораздо легче наблюдать, что делает их предпочтительными для использования в устройстве фотокатодов и сенсоров.