67. 1. Конспект для учителя по теме «Фотоэффект, уравнение Эйнштейна. Фотоны: энергия, импульс»

67.1. Конспект для учителя по теме «Фотоэффект, уравнение Эйнштейна. Фотоны: энергия, импульс»

Фотоэффект это выбивание электронов из вещества падающим светом. Явление фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем в 1887 году в ходе его знаменитых экспериментов по излучению электромагнитных волн.

Герц, однако, был поглощен исследованием электромагнитных волн и не принял данный факт во внимание. Год спустя фотоэффект был независимо открыт русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Тщательные экспериментальные исследования, проведенные Столетовым в течение двух лет, позволили сформулировать основные законы фотоэффекта.

Опыты Столетова

В своих экспериментах А.Г.Столетов использовал фотоэлемент собственной конструкции.

67-1

В стеклянную колбу, из которой выкачан воздух (чтобы не мешать лететь электронам), введены два электрода: цинковый катод K и анод A. На катод и анод подается напряжение, величину которого можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром V.

Сейчас к катоду подсоединен «минус», а аноду «плюс», но можно сделать и наоборот (и эта перемена знака существенная часть опытов Столетова). Напряжению на электродах приписывается тот знак, который подан на анод. В данном случае, например, напряжение положительно.

Катод освещается ультрафиолетовыми лучами УФ через специальное кварцевое окошко, сделанное в колбе (стекло поглощает ультрафиолет, а кварц пропускает). Ультрафиолетовое излучение выбивает с катода электроны e, которые разгоняются напряжением и летят на анод. Включенный в цепь миллиамперметр регистрирует электрический ток. Этот ток называется фототоком, а выбитые электроны, его создающие, называются фотоэлектронами.

В опытах Столетова можно независимо изменять три величины: анодное напряжение,

интенсивность света и его частоту.
Рис. 1. Фотоэлемент Столетова

Зависимость фототока от напряжения

Меняя величину и знак анодного напряжения, можно проследить, как меняется фототок. График этой зависимости, называемый характеристикой фотоэлемента, представлен на рис. 2.

67-5

Полученная кривая показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями и в разных направлениях; максимальную скорость, которую имеют фотоэлектроны в условиях опыта, обозначим v.

Если напряжение отрицательно и велико по модулю, то фототок отсутствует. Это легко понять: электрическое поле, действующее на электроны со стороны катода и анода, является тормозящим (на катоде «плюс», на аноде «минус») и обладает столь большой величиной, что электроны не в состоянии долететь до анода. Начального запаса кинетической энергии не хватает электроны теряют свою скорость на подступах к аноду и разворачиваются обратно на катод. Максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов оказывается меньше, чем модуль работы поля при перемещении электрона с катода на анод:

67-6

Будем постепенно увеличивать напряжение, т. е. двигаться слева направо вдоль оси из отрицательных значений в положительные.

Поначалу тока по-прежнему нет, но точка разворота электронов становится все ближе к аноду. Наконец, при достижении напряжения , которое называется задерживающим напряжением, электроны разворачиваются назад в момент достижения анода (иначе говоря, электроны прибывают на анод с нулевой скоростью). Имеем:

67-8

Таким образом, величина задерживающего напряжения позволяет определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

Читайте так же:

Щитки осветительные с автоматическими выключателями

При небольшом превышении задерживающего напряжения появляется слабый фототок. Его формируют электроны, вылетевшие с максимальной кинетической энергией почти точно вдоль оси колбы (т. е. почти перпендикулярно катоду): теперь электронам хватает этой энергии, чтобы добраться до анода с ненулевой скоростью и замкнуть цепь. Остальные электроны, которые имеют меньшие скорости или полетели в сторону от анода, на анод не попадают.

При повышении напряжения фототок увеличивается. Анода достигает большее количество электронов, вылетающих из катода под все большими углами к оси колбы. Обратите внимание, что фототок присутствует при нулевом напряжении!

Когда напряжение выходит в область положительных значений, фототок продолжает возрастать, т.к. электрическое поле теперь разгоняет электроны, поэтому все большее их число получают шанс оказаться на аноде. Однако достигают анода пока еще не все фотоэлектроны. Например, электрон, вылетевший с максимальной скоростью перпендикулярно оси колбы (т. е. вдоль катода), хоть и развернется полем в нужном направлении, но не настолько сильно, чтобы попасть на анод.

При достаточно больших положительных значениях напряжения ток достигает своей предельной величины называемой током насыщения, и дальше возрастать перестает — напряжение, ускоряющее электроны, становится настолько велико, что анод захватывает вообще все электроны, выбитые из катода в каком бы направлении и с какими бы скоростями они не начинали движение. Дальнейших возможностей увеличиваться у фототока нет.

Законы фотоэффекта

Величина 67-f1 тока насыщения — количество электронов, выбиваемых из катода за одну секунду. Будем менять интенсивность света, не трогая частоту. Опыт показывает, что ток насыщения меняется пропорционально интенсивности света.

Первый закон фотоэффекта: Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте).

Чем больше энергии несет излучение, тем ощутимее наблюдаемый результат.

Теперь будем изучать зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты и интенсивности падающего света. По формуле (3) нахождение максимальной кинетической энергии выбитых электронов фактически сводится к измерению задерживающего напряжения.

Сначала меняем частоту излучения при фиксированной интенсивности. Получается такой график (рис. 3):

67-f2

Как видим, существует некоторая частота , называемая красной границей фотоэффекта, разделяющая две принципиально разные области графика. Если то фотоэффекта нет.

Если же , то максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой.

Теперь, наоборот, фиксируем частоту и меняем интенсивность света. Если при этом

то фотоэффект не возникает, какова бы ни была интенсивность. Если : максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов от интенсивности света не зависит.

Все эти факты нашли отражение во втором и третьем законах фотоэффекта. Рис. 3. Зависимость энергии

фотоэлектронов от частоты света

Второй закон фотоэффекта: Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Третий закон фотоэффекта: Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта наименьшая частота света , при которой фотоэффект еще возможен. При фотоэффект не наблюдается ни при какой интенсивности света.

Главная
Физика
11 класс
67. Фотоэффект, уравнение Эйнштейна. Фотоны: энергия, импульс
Текущая страница

Читайте так же:

Что делать если выключатель не выключает свет

Поступление без ОГЭ и ЕГЭ. Обучаем перспективным профессиям
после 9 или 11 класса.

Ответы на вопросы «Квантовая теория электромагнитного излучения. § 74. Фотоэффект»

Фотоэффектом называется явление вырывания электронов под действием света из жидких и твердых веществ.

2. Опишите принципиальную схему опыта Столетова. Что такое фототок и фотоэлектроны?

В вакуумную трубку помещали два электрода — катод и анод, которые подключали к источнику напряжения. Тока в цепи не было без освещения катода. При освещении вырываемые светом из катода электроны притягиваются к аноду.

Фототоком называется возникающий в цепи под действием света ток, а фотоэлектронами — вырванные электроны.

3. Сформулируйте три закона фотоэффекта и объясните вольтамперную характеристику при фотоэффекте. Как она будет выглядеть при большей интенсивности света?

1) фототок насыщения пропорционален интенсивности света, который падает на катод.

2) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света и прямо пропорциональна его частоте.

3) существует минимальная частота света для каждого вещества, ниже которой фотоэффект не возможен. Она называется красной границей фотоэффекта.

При малых напряжениях только часть фотоэлектронов достигает анода. Чем больше разность потенциалов, тем больше фототок. При некотором значении напряжения он становится максимальным, его называют фототоком напряжения. При большей интенсивности света фототок насыщения будет больше, и график пойдет выше.

4. Запишите и объясните уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Какую величину называют работой выхода?

Энергия фотона идет на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии и на совершение работы выхода. Работой выхода называют минимальную работу, которую необходимо совершить для удаления электрона из металла. Красная граница фотоэффекта:

5. Объясните график зависимости кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света. Как рассчитывается красная граница фотоэффекта?

Кинетическая энергия фотоэлектрона от частоты света зависит линейно:

Она всегда больше нуля, и ниже красной границы фотоэффекта не происходит.

Решебник по физике за 11 класс (Касьянов В.А., 2002 год),
задача №80
к главе «Квантовая теория электромагнитного излучения. § 74. Фотоэффект».

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного излучения называют спектральной характеристикой фотокатода.

Законы внешнего фотоэффекта

Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения):

E_e» width=»» height=»» /> и n_</p data-lazy-src=

Объяснение фотоэффекта

С открытием электрона стало ясно, что фотоэффект — это выбивание электронов из вещества. Причем фотоэффект может быть внешним — когда электроны покидают вещество, — а может быть внутренним — когда электроны остаются внутри вещества, лишь меняют свое энергетическое состояние.

Читайте так же:

Thomson t40ed06hu 01b снизить ток подсветки

Кроме того, было открыто важное свойство фотоэффекта: кинетическая энергия выбитых электронов не зависела от интенсивности облучения. Но она зависела от его частоты. И при некоторой частоте фотоэффект вообще исчезал. Эта минимальная частота была названа «красной границей фотоэффекта».

Попытки объяснения фотоэффекта на основе теории Максвелла терпели неудачу. Непрерывная электромагнитная волна должна была увеличивать кинетическую энергию при увеличении интенсивности.

Объяснить фотоэффект удалось А. Эйнштейну в 1905 г. Для этого он использовал идею М. Планка о том, что, несмотря на волновую природу света, он испускается и поглощается только порциями — квантами. И энергия кванта пропорциональна частоте (коэффициент пропорциональности $h$ был назван «постоянной Планка»):

При выбивании электрона из вещества эта энергия будет затрачена на разрыв связей электрона с веществом (совершается работа выхода $A$, своя для каждого вещества), а оставшаяся энергия будет кинетической энергией электрона:

Эта формула фотоэффекта объясняет все особенности этого явления.

Увеличение интенсивности света увеличивает число квантов, выбивающих электроны, то есть она пропорциональна числу выбитых электронов. А кинетическая энергия выбитых электронов зависит только от частоты кванта (поскольку работа выхода остается одинаковой).

Кроме того, эта же формула объясняет красную границу фотоэффекта: если частота излучения слишком низка и энергия кванта оказывается меньше работы выхода, фотоэффект исчезает.

Рис. 3. Применение фотоэффекта.

Световые кванты

Ключевые слова конспекта «Световые кванты»: Квантовая гипотеза Планка. Фотон. Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта. Давление света. Корпускулярно-волновой дуализм.
Раздел ЕГЭ по физике: 5.1. Корпускулярно-волновой дуализм

Квантовая гипотеза Планка. Фотон

Квантовая гипотеза Планка: излучение электромагнитных волн атомами и молекулами вещества происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. отдельными порциями – квантами. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте излучения:

Е = hv,

где h = 6,62 • 10 –34 (Дж • с) – постоянная Планка.

Фотон – это квант света, представляющий из себя электрически нейтральную частицу, которая не имеет массы покоя, а существует только при движении ее со скоростью света в вакууме с = 3 • 10 8 м/с.

Энергия и импульс фотона выражаются через волновые физические характеристики – частоту и длину волны:

Е_Ф = hV,

р_Ф = (h • v) / c = h / λ

Для фотона как для релятивистской частицы выполняется закон взаимосвязи массы и энергии:

Е = m • с 2

Фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта

Фотоэффект – это явление взаимодействия света с веществом в результате, которого происходит вырывание фотоэлектронов. При внешнем фотоэффекте фотоэлектроны покидают поверхность тела. При внутреннем фотоэффекте фотоэлектроны остаются внутри вещества.

Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из металла. Работа выхода зависит только от рода материала и определяется по таблице.

Законы внешнего фотоэффекта:

Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на вещество.
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов увеличивается при увеличении частоты падающего на вещество излучения и не зависит от интенсивности света.
Для каждого вещества существует максимальная длина электромагнитной волны λ_max (красная граница фотоэффекта), за которой начинается фотоэффект. Облучение вещества световыми волнами большей длины фотоэффект не вызывают.

Читайте так же:

Eax64905301 уменьшить ток подсветки

Данные законы были установлены опытным путем, их невозможно объяснить с помощью волновой теории света. Явление фотоэффекта и его законы были объяснены А. Эйнштейном с помощью квантовой теории света.

Каждый фотон взаимодействует только с одним электроном.

Закон сохранения энергии называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

Энергия фотона идет на совершение работы выхода и на сообщение выбитому фотоэлектрону кинетической энергии.

Давление света

Давление света – это давление, которое создает электромагнитная волна, падая на поверхность тела.

Давление света на зеркальную поверхность в два раза больше, чем на черную (поглощающую) поверхность.

Изменение импульса фотона при отражении от зеркальной поверхности Δр = 2р. Изменение импульса фотона при поглощении есть Δр = –р.

Если коэффициент отражения энергии препятствием равен R, а число падающих фотонов на единицу поверхности препятствия, при интенсивности света I равно:

N = I / (h • v)

то из них N • R фотонов отразится, a N • (1 – R) – поглотится поверхностью препятствия.

Полное давление света на поверхность препятствия равно:

Корпускулярно-волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм – это проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.

Свет обладает одновременно как волновыми свойствами (интерференция, дифракция, поляризация) так и корпускулярными свойствами (давление света, фотоэффект), т. е. ведет себя как корпускула (частица).

Сами по себе волновая и корпускулярная модели света являются односторонними, имеющими ограничения. В совокупности они позволяют подойти к более полному описанию реального мира.

Конспект урока по физике в 10-11 классах «Световые кванты». Выберите дальнейшее действие:

Содержание

В 1839 году Александр Беккерель наблюдал [2] явление фотоэффекта в электролите. В 1873 году Виллоби Смит обнаружил, что селен является эффект изучался в 1887 году Генрихом Герцем. При работе с электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения. В 1888-1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта. Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

<displaystyle hnu =A_<out data-lazy-src= +><2>>>» width=»» height=»» />

где <displaystyle A_<out data-lazy-src= >» width=»» height=»» /> — т.н. — кинетическая энергия вылетающего электрона, <displaystyle !nu data-lazy-src= » width=»» height=»» /> — частота падаюшего фотона с энергией <displaystyle</p data-lazy-src=

Читайте так же:

Провод с выключателем для светодиодной ленты

hnu >» width=»» height=»» />, <displaystyle</p data-lazy-src=

h>» width=»» height=»» /> — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта , т.е. существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже не достаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества, на работу, которую необходимо совершить для того, чтобы «вырвать» электрон, и остаток переходит в кинетическую энергию электрона. Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

Комфортная интенсивность освещения

Комфорт освещения требует соблюдения целого ряда требований. При этом данный параметр невозможно унифицировать, так как у людей разные предпочтения, а выполнение различных видов работ требует разных условий. Наиболее комфортным для любого человека является свет солнца, именно на этот спектр и ориентируются при планировании искусственного освещения.

Ближе всего к естественному излучению свет обычных ламп накаливания, который образуется за счет раскаленной спирали. Но из-за высокого энергопотребления, сильного нагрева при работе, короткого срока службы из используют все меньше.

Важным показателем является световая температура, есть три разновидности:

Теплый свет имеет желтый оттенок и подходит для создания обстановки, располагающей к расслаблению и отдыху. Чаще всего его используют в жилых помещениях.
Нейтральный свет отличает большая яркость, еще его называют белым. Подходит для рабочих мест, а также для зон, где важно обеспечить хорошую видимость, например, рабочая зона на кухне.
Холодное освещение отличает преобладание синих лучей в спектре. Оно подходит для мест, где выполняются точные работы. Дома использовать его не стоит, так как при длительном нахождении в помещении с холодным светом глаза начинают уставать.

Видео по теме: Как измерить степень освещённости в помещении с помощью смартфона.

Чтобы не измерять показатели освещенности, при выборе светильников и лампочек проще всего руководствоваться установленными нормами. В жилых помещениях стоит придерживаться таких показателей:

Коридоры и прихожие – 50 Лк.
Санузлы, душевые, ванные комнаты – 50 люксов.
Кухни – 150 Лк.
Детские комнаты и игровые зоны – 200 люксов.
Жилые помещения (гостиные, спальни и т.д.) – 150 Лк.

При выборе светильников надо обращать внимание на особенности распространения светового потока. Самым комфортным является рассеянный или отраженный свет. Чтобы выделить функциональные зоны или обеспечить качественное освещение рабочего места, лучше использовать дополнительные светильники.

Изменить интенсивность света можно за счет замены ламп или установки новых светильников. Не стоит экономить на качестве освещения, так как это влияет не только на восприятие помещений, но и на комфорт пребывания в них.

голоса

Рейтинг статьи

67. 1. Конспект для учителя по теме «Фотоэффект, уравнение Эйнштейна. Фотоны: энергия, импульс»