при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.
Из коллекции www.eduspb.com
Наблюдение фотоэффекта:
1. Цинковую пластину, соединенную с электроскопом, заряжают отрицательно и облучают ультрафиолетовым светом. Она быстро разряжается.
Если же ее зарядить положительно, то заряд пластины не изменится.
Из коллекции www.eduspb.com
Наблюдение фотоэффекта:
2. Ультрафиолетовые лучи, проходящие через сетчатый положительный электрод, попадают на отрицательно заряженную цинковую пластину и выбивают из нее электроны, которые устремляются к сетке, создавая фототок, регистрируемый чувствительным гальванометром.
Из коллекции www.eduspb.com
Внешний фотоэффект
Фотоэффект- явлениеиспускания электронов с поверхности металла под действием света.
Т.е. свет выбивает (вырывает) электроны из металла.
Из коллекции www.eduspb.com
Столетов Александр Григорьевич (1839-1896)
Русский физик, научные работы посвящены электромагнетизму, оптике, молекулярной физике, философским вопросам науки. Впервые показал, что при увеличении намагничивающего поля, магнитная восприимчивость железа сначала возрастает, а затем падает, проходя через максимум, осуществил ряд экспериментов для определения величины отношения электромагнитных и электростатических величин, получил значение, близкое к значению скорости света (1876г.). В 1888-90г. выполнил цикл работ по исследованию явления внешнего фотоэффекта, создал первый фотоэлемент (1888г.), является основоположником количественных методов исследования фотоэффекта, изучал несамостоятельный газовый разряд, исследовал критическое состояние вещества, многое сделал для развития физики в России. В 1872г создал первую физическую лабораторию и исследовательский институт при Московском университете.
Количественные закономерности фотоэффекта были установлены А.Г.Столетовым (1888—1889).
Из коллекции www.eduspb.com
Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта.
Катод K
Стеклянный вакуумный баллон
Двойной ключ для изменения полярности
Кварцевое окошко
Анод А
Источник напряжения U
Источник монохроматического света длины волны λ
Потенциометр для регулирования напряжения
Электроизмерительные приборы для снятия вольтамперной характеристики
Из коллекции www.eduspb.com
План исследования:
Получить зависимость I(U). Выяснить физический смысл характерных точек;
Исследовать изменение I(U) при различных значениях светового потока.
Исследовать изменение I(U) при освещении светом различного спектрального состава.
2. Что происходит с силой тока при дальнейшем увеличении напряжения?
3. Что происходит при смене полярности?
Сформулируйте гипотезы по результатам наблюдений. Не забудьте учесть, что вы уже знаете, что такое фотоэффект.
Для запуска нажмите на рисунок.
Из коллекции www.eduspb.com
Анализ вольт-амперной характеристики.
Начиная с некоторого значения напряжения сила тока в цепи перестает изменяться, достигнув насыщения.
При
следовательно выбитые электроны обладают кинетической энергией.
I0
Сила тока насыщения прямо пропорциональна числу электронов, выбитых светом за 1 с с поверхности катода:
Из коллекции www.eduspb.com
Анализ вольт-амперной характеристики.
При таком значении напряжения сила тока в цепи анода равна нулю.
I0
Напряжение запирания (запирающее напряжение)
При U > Uз в результате облучения электроны, выбитые из электрода, могут достигнуть противоположного электрода и создать некоторый начальный ток.
Из коллекции www.eduspb.com
Анализ вольт-амперной характеристики.
Согласно закону сохранения энергии
где m - масса электрона,
а υmax - максимальная скорость фотоэлектрона.
Из коллекции www.eduspb.com
Задание 2. Исследовать изменение I(U) при различных значениях светового потока.
Не изменяя частоту света, поменяйте мощность излучения (световой поток). Как изменяется ВАХ?
1. Что происходит с током насыщения?
2. Что происходит с запирающим напряжением?
Для запуска нажмите на рисунок.
Сформулируйте гипотезы по результатам наблюдений. Не забудьте учесть, что вы уже знаете, что такое фотоэффект.
Из коллекции www.eduspb.com
Зависимость числа выбитых электронов от светового потока.
Световой поток, падающий на фотокатод увеличивается, а его спектральный состав остается неизменным:
Ф2 > Ф1
Сила тока насыщения и, следовательно, число выбитых светом за 1 с электронов увеличивается: Iнас,2>Iнас,1
Значение запирающего напряжения не меняется!
ν1= ν2
Из коллекции www.eduspb.com
Первый закон фотоэффекта
Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на металл.
или
Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
Из коллекции www.eduspb.com
Задание 3.Исследовать изменение I(U) при освещении светом различного спектрального состава.
Последовательно меняйте светофильтры.
1. При любой ли длине волны (частоте) падающего света наблюдается фотоэффект? Чему равно запирающее напряжение при минимальной частоте (максимальной длине волны?
2. Как меняется запирающее напряжение при увеличении частоты?
3. Как меняется ток насыщения при увеличении частоты?
Для запуска нажмите на рисунок.
Сформулируйте гипотезы по результатам наблюдений.
Из коллекции www.eduspb.com
Влияние спектрального состава света
При частоте ν = νmin запирающее напряжение равно нулю.
При частоте ν < νmin фотоэффект отсутствует.
Если частоту света увеличить, то при неизменном световом потоке запирающее напряжение увеличивается, а, следовательно, увеличивается и кинетическая энергия фотоэлектронов.
Из коллекции www.eduspb.com
Второй закон фотоэффекта:
Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света не зависит от интенсивности падающего света.
Из коллекции www.eduspb.com
Задание 4.Исследовать изменение I(U) для разного материала катода
Можно ли в рамках данной компьютерной модели провести указанное исследование?
Сформулируйте свою гипотезу по данной проблеме. На чем она базируется?
Из коллекции www.eduspb.com
Красная граница фотоэффекта
При < min ни при какой интенсивности волны падающего на фотокатод света фотоэффект не произойдет.
Т.к. ,
то минимальной частоте света соответствует максимальная длина волны.
Т.к длина волны больше у красного цвета, то максимальную длину волны (минимальную частоту), при которой еще наблюдается фотоэффект, назвали красной границей фотоэффекта.
Из коллекции www.eduspb.com
Третий закон фотоэффекта
Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил, что красная граница фотоэффекта является характеристикой данного вещества.
Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота min , при которой еще возможен фотоэффект.
Из коллекции www.eduspb.com
Законы фотоэффекта:
Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света не зависит от интенсивности падающего света.
Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота min , при которой еще возможен фотоэффект.
Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.
Из коллекции www.eduspb.com
Что не могла объяснить волновая теория света:
Безынерционность фотоэффекта.
В волновой модели: электрон при взаимодействии с электромагнитной световой волной постепенно накапливает энергию, и только через значительное время вылетит из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами.
Существование красной границы фотоэффекта.
В волновой модели: необходимую энергию можно накопить при любой энергии волны.
Независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока.
Пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.
Из коллекции www.eduspb.com
Идея Эйнштейна (1905 г.)
Свет имеет прерывистую дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами.
Квант поглощается электроном целиком. Энергия кванта передается электрону. (Один фотон выбивает один электрон.)
Энергия каждого фотона определяется формулой Планка W = E = hν, где h – постоянная Планка.
Из коллекции www.eduspb.com
Уравнение Эйнштейна
На основании закона сохранения энергии:
Смысл уравнения Эйнштейна:
энергия кванта тратится на работу выхода электрона из металла и сообщение электрону кинетической энергии.
Работа выхода - это характеристика материала (табличная величина см. стр. 112 учебника).
Она показывает, какую работу должен совершить электрон, чтобы преодолеть поверхностную разность потенциалов и выйти за пределы металла.
Работа выхода обычно измеряется в электронвольтах (эВ).
Из коллекции www.eduspb.com
Доказательство законов фотоэффекта
Число фотонов Nф равно числу электронов Nэ.
Энергия монохроматического света
Следовательно,
Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
Из коллекции www.eduspb.com
Доказательство законов фотоэффекта
Из уравнения Эйнштейна:
Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света не зависит от интенсивности падающего света.
Из коллекции www.eduspb.com
Доказательство законов фотоэффекта
Минимальная частота света соответствует Wк=0,
то или .
Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота min, при которой еще возможен фотоэффект.
Эти формулы позволяют определить работу выхода A электронов из металла.
Из коллекции www.eduspb.com
Работа выхода
Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта λкр ≈ 680 нм.
Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.
Из коллекции www.eduspb.com
Определение постоянной Планка
Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν, равен отношению постоянной Планка h к заряду электрона e:
Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены Р. Милликеном (1914 г.) и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком.
Из коллекции www.eduspb.com
Повторение
Внимательно посмотрите фильм.
Приготовьтесь отвечать на вопросы, связанные с физическим смыслом явления фотоэффекта, описывающих его законов, входящих в них величин.
Подумайте: где и для чего мы используем явление фотоэффекта.
