1905: Эйнштейн объясняет фотоэффект
Генрих Герц в 1887 году заметил странность: когда ультрафиолетовый свет падает на металл, с поверхности вылетают электроны. Особенности явления не поддавались объяснению классической физикой:
- Электроны вылетают мгновенно, даже при слабом свете
- Энергия электронов зависит от частоты света, а не от яркости
- Ниже определённой частоты электроны не вылетают вообще — сколько бы ни увеличивать яркость
В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил объяснение: свет — это поток квантов (фотонов). Каждый фотон несёт энергию E = hν, где h — постоянная Планка, ν — частота. Один фотон выбивает один электрон — если энергии хватает.
Это была революция: свет одновременно волна и частица. Нобелевская премия 1921 года — именно за фотоэффект.
Формула фотоэффекта Эйнштейна:
Eк = hν − φ
- Eк — кинетическая энергия вылетевшего электрона
- hν — энергия фотона (h = 6,626·10⁻³⁴ Дж·с)
- φ — работа выхода (минимальная энергия для вырывания электрона из металла)
1969: первый цифровой пиксель
Уиллард Бойл и Джордж Смит в Bell Labs в 1969 году создали прибор с зарядовой связью (ПЗС/CCD) — сетку конденсаторов на кремниевой пластине.
Принцип работы:
- Фотон падает на пиксель (элемент кремния)
- Фотоэффект: фотон выбивает электрон из атома кремния
- Электрон удерживается в потенциальной яме (конденсатор)
- После экспозиции заряды «передвигаются» по матрице как в конвейере (отсюда «зарядовая связь»)
- Каждый заряд преобразуется в число — яркость пикселя
Матрица 1000×1000 пикселей = 1 мегапиксель = 1 000 000 маленьких фотоэффектов одновременно.
Нобелевская премия 2009 года — Бойлу и Смиту за ПЗС.
Опыт 1: Фотоэффект «на глаз» — солнечная батарея как датчик
Солнечная батарея — это массив фотоэлементов, работающих на фотоэффекте. Можно использовать её как детектор.
Что понадобится: маленькая солнечная батарея (из садового фонарика, 5–10 ₽), мультиметр, разные источники света.
Протокол:
- Подключи солнечную батарею к мультиметру (режим вольтметра).
- Освещай разными источниками: солнце, LED-лампа, лампа накаливания, свеча, инфракрасный пульт ДУ.
- Записывай напряжение.
Вопросы:
- Почему инфракрасный пульт ДУ не даёт напряжения на обычной батарее (кремний)?
- Почему синяя LED-лампа даёт больше напряжения, чем красная при той же яркости?
Объяснение: кремниевые фотоэлементы имеют порог — инфракрасный свет (длинные волны, низкая частота) не выбивает электроны. Синий свет — высокая частота — даёт больше энергии каждому электрону.
Опыт 2: Цифровая камера как детектор
Камера смартфона — это лаборатория фотоэффекта.
Опыт с инфракрасным пультом:
- Возьми пульт ДУ от телевизора.
- Направь на него смартфон (режим камеры, а не фото!).
- Нажми кнопку — в видоискателе увидишь мигающий светлый источник.
Человеческий глаз не видит инфракрасный свет. Кремниевая матрица камеры видит — у неё нет «запрета» на ИК (хотя производители добавляют ИК-фильтр, который иногда пропускает часть ИК).
Опыт со звёздами: Даже без телескопа камера смартфона при выдержке 10–30 секунд (штатив!) покажет звёзды, которые глаз едва замечает. Матрица накапливает фотоны — те самые квантовые акты фотоэффекта.
Разница ПЗС и CMOS
Современные смартфоны используют CMOS-матрицы (а не ПЗС):
| Параметр | ПЗС | CMOS |
|---|---|---|
| Принцип считывания | Конвейер зарядов | Каждый пиксель усиливает свой сигнал |
| Скорость | Медленнее | Быстрее |
| Энергопотребление | Высокое | Низкое |
| Шум | Меньше | Больше (но улучшается) |
| Применение | Астрономия, медицина | Смартфоны, видеокамеры |
Физика фотоэффекта — одинакова. Отличается только электроника считывания.
Почему Эйнштейн получил Нобель не за относительность
Теория относительности (1905, 1915) была слишком революционной и спорной — Нобелевский комитет не решался. Фотоэффект — конкретное, измеримое, подтверждённое явление. Роберт Милликен потратил 10 лет (1905–1916), пытаясь опровергнуть Эйнштейна, и в итоге подтвердил с точностью 0,5%.
Нобелевская премия 1921 года была присуждена в 1922-м (за 1921 год не присуждали — «не нашли достойного»). Эйнштейн получил её за «открытие закона фотоэлектрического эффекта».
Вопросы для исследования
- Частота видимого фиолетового света ≈ 7,5·10¹⁴ Гц. Рассчитай энергию одного фотона в джоулях и электронвольтах.
- Почему солнечные батареи имеют КПД ~20%, а не 100%? (Намёк: фотоны с энергией ниже запрещённой зоны кремния не усваиваются)
- Астрономы используют ПЗС-матрицы, охлаждённые до −100°C. Зачем? (Намёк: тепловые шумы — тоже электроны)