Фотоэффект законы фотоэффекта Теория фотоэффекта

Зарождение квантовой физики

• 1900 г. Макс Планк выдвинул гипотезу: «Свет излучается и поглощается отдельными порциями – квантами»
• Энергия кванта
• ν – частота испускаемого излучения
• h = 6,62 10-34Дж с – постоянная Планка

Фотоэффект

• Слово состоит из двух иностранных слов: фото и эффект.
• Как же они переводятся?
• Фото - от греческого - свет,
• а эффект – от латинского – действую. Дословно – действие света.

Задачи:

• Выяснить:
• 1. Какой эффект может произвести свет с веществом.
• 2. Каким физическим законам он подчиняется.
• 3. Какими математическими формулами выражается.
• 4. От каких характеристик света и вещества зависит.

Опыт Генриха Герца (1887 г.):

• Опыт Генриха Герца (1887 г.):
• при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.

Наблюдение фотоэффекта:

• Цинковую пластину, соединенную с электроскопом, заряжают отрицательно и облучают ультрафиолетовым светом. Она быстро разряжается.
• Если же ее зарядить положительно, то заряд пластины не изменится.
• Если на пути света поставить обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина не теряет электроны
• ПОЧЕМУ?

• Герц Генрих
• (22.II.1857–1.I.1894)

• «О влиянии ультрафиолетового света на электрический разряд». 1887 г.

• Фотоэффект – вырывание электронов из вещества под действием света.

Столетов Александр Григорьевич (1839-1896)

• Количественные закономерности фотоэффекта были установлены Александром Григорьевичем Столетовым (1888—1889).

Схема экспериментальной установки Столетова 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

Законы фотоэффекта

• От чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов);
• Чем определяется их скорость или кинетическая энергия

Лаборатория фотоэффекта

Первый закон фотоэффекта

• Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны (или мощности светового потока).

• Второй закон фотоэффекта:

• Кинетическая энергия фотоэлектронов, а следовательно, и их скорость, линейно возрастают с частотой света и не зависят от мощности падающего светового потока.

Красная граница фотоэффекта

• При  < min ни при какой мощности падающего на фотокатод светового потока фотоэффект не возникнет.
• Т.к. ,
• то минимальной частоте света соответствует максимальная длина волны.

• Т.к длина волны больше у красного света, то максимальную длину волны (минимальную частоту), при которой еще наблюдается фотоэффект, назвали красной границей фотоэффекта.

Третий закон фотоэффекта

• Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил, что красная граница фотоэффекта является характеристикой данного вещества.
• Для каждого вещества существует своя красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота min , при которой еще возможен фотоэффект.

Подведем итоги: Законы фотоэффекта:

• Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны (мощности светового потока).
• Кинетическая энергия фотоэлектронов (а следовательно, их скорость) линейно возрастает с частотой света и не зависит от мощности падающего светового потока.
• Для каждого вещества существует своя красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота min , при которой еще возможен фотоэффект.

Что не могла объяснить волновая теория света:

• Фотоэффект практически безынерционен, т.е. фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.
• 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 мощности светового потока.
• Пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте падающего света.

Идея Эйнштейна (1905 г.) вытекает непосредственно из гипотезы Макса Планка о квантах:

• Свет имеет прерывистую, дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных неделимых 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.
• h = 6,63∙10 Дж∙с

• По закону сохранения энергии:

• Энергия порции света

• На совершение А работы выхода, т.е. работы, которую нужно совершить, чтобы вырвать электрон из металла

• На сообщение электрону кинетической энергии Ек

• уравнение Эйнштейна (1921г – Нобелевская премия)

Доказательство законов фотоэффекта на основании идеи Эйнштейна:

• Световой поток состоит из отдельных фотонов. Число фотонов Nф равно числу вырванных электронов Nэ.
• Энергия световой волны монохроматического света
• Следовательно,

• Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны (мощности падающего светового потока).

Доказательство законов фотоэффекта на основании идеи Эйнштейна

• Из уравнения Эйнштейна:

• Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от мощности падающего светового потока.

Доказательство законов фотоэффекта на основании идеи Эйнштейна:

• Минимальная частота света соответствует Wк= 0, следовательно
• 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.

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 (желто - оранжевый свет)
• Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.

Тест

• 1. Какой заряд окажется на двух цинковых пластинах, первая из которых заряжена положительно, а вторая – отрицательно, если их облучить ультрафиолетовым светом?
• А. Обе пластины будут заряжены отрицательно.
• Б. Первая пластина приобретет положительный
• заряд, вторая – отрицательный.
• В. Обе пластины будут иметь положительный заряд.

Тест

• 2. Какие факторы определяют красную границу фотоэффекта:
• 1. длина волны; 2. вещество катода;
• 3. вещество анода?
• А. 1, 2, 3
• Б. 1, 2
• В. 1, 3

Тест

• 3. Как изменится скорость вылетающих из вещества электронов, если частота облучающего света увеличится?
• А. Не изменится.
• Б. Увеличится.
• В. Уменьшится

Тест

• 4. От каких параметров зависит фототок насыщения:
• 1. световой поток; 2. частота облучающего света; 3. скорость вылетающих электронов?
• А. 1, 2.
• Б. 3.
• В. 1.

Тест

• 5. Длина волны облучающего света уменьшилась в 2 раза. Как изменилась работа выхода электрона?
• А. Не изменилась.
• Б. Уменьшилась в 2 раза.
• В. Увеличилась в 2 раза.

Тест

• 1. Какой заряд окажется на двух цинковых пластинах, первая из которых заряжена положительно, а вторая – отрицательно, если их облучить ультрафиолетовым светом?
• А. Обе пластины будут заряжены отрицательно.
• Б. Первая пластина приобретет положительный
• заряд, вторая – отрицательный.
• В. Обе пластины будут иметь положительный заряд.

Тест

• 2. Какие факторы определяют красную границу фотоэффекта:
• 1. длина волны; 2. вещество катода;
• 3. вещество анода?
• А. 1, 2, 3
• Б. 1, 2
• В. 1, 3

Тест

• 3. Как изменится скорость вылетающих из вещества электронов, если частота облучающего света увеличится?
• А. Не изменится.
• Б. Увеличится.
• В. Уменьшится

Тест

• 4. От каких параметров зависит фототок насыщения:
• 1. световой поток; 2. частота облучающего света; 3. скорость вылетающих электронов?
• А. 1, 2.
• Б. 3.
• В. 1.

Тест

• 5. Длина волны облучающего света уменьшилась в 2 раза. Как изменилась работа выхода электрона?
• А. Не изменилась.
• Б. Уменьшилась в 2 раза.
• В. Увеличилась в 2 раза.

• Достаточно коробка
• Эйнштейн был знаменит тем, что иногда делал записи на всём, что просто попадалось под руку (чтобы не упустить мысль). Как то его супругу пригласили на открытие нового астрономического телескопа. После открытия ей устроили небольшую экскурсию. Гид, который проводил её, указывая на телескоп заявил: «С помощью этого прибора мы открываем тайны вселенной», на что супруга Эйнштейна сказала. - Странно, а моему мужу для этого достаточно огрызка карандаша и коробка из- под спичек.

Домашнее задание

• Выучить конспект урока
• §87, 88