Фотоефект та його закони. Рівняння Ейнштейна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Фотоефект та його закони. Рівняння Ейнштейна

Мета. Дати уявлення про фотоефект, пояснити зміст і його закони на основі квантових уявлень

Тип уроку. Урок вивчення нового матеріалу

Демонстрації: відео фрагменти фотоефекту; установка для вивчення зовнішнього фотоефекту.

Роль Г. Герца та О. Столєтова в експериментальному дослідженні фотоефекту

Схема сучасної установки для дослідження фотоефекту

Вольт амперна характеристика

Три закони фотоефекту

Пояснення явища фотоефекту на основі квантових уявлень

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту

Види фотоефекту

1. У розвитку уявлень про природу світла важливий крок зроблено під час вивчення одного явища, відкритого Г. Герцем (при опроміненні іскрового проміжку, який знаходиться під високою напругою полегшується розряд між електродами) і вивченого видатним російським фізиком О.Г. Столєтовим (встановив несуттєвість високої напруги та дослідив залежність фотоструму від інтенсивності та довжини випромінення). Це явище отримало назву фотоефект.

Фотоефектом називають явище виривання електронів із речовини під дією світла.

Рис. 1

герц фотоефект електрон катод

2. При вивченні фотоефекту для отримання точних результатів необхідно використовувати електроди з хімічно чистих матеріалів, вакуумний скляний балон, монохроматичне випромінювання.

Напругу на електродах вимірюємо вольтметром, регулюємо потенціометром, світловий потік направляємо на катод, фотострум вимірюємо амперметром (гальванометром).

На цій установці отримано вольт-амперні характеристики фотоефекту за різних значень світлового потоку (рис. 1).

3. Із вольт-амперних характеристик видно, що:

а) якщо немає напруги між електродами значення фотострум відмінне від нуля. (Це означає, що фотоелектрони мають під час вильоту кінетичну енергію);

б) у разі досягнення між електродами деякої прискорювальної напруги UH фотострум перестає залежати від напруги, тобто його значення досягає насичення IH1, IH2;

в) за деякої затримувальної напруги (на анод подано мінус від джерела струму) фотострум припиняється;

г) значення затримувальної напруги не залежить від світлового потоку Ф.

Із вольт-амперних характеристик можна визначити кількість фотоелектронів, що вилітають із катода за 1 с. адже

(Qmax - максимальний заряд, що переноситься фотоелектронами). Оскільки Qmax = Nee, то IH ~ Ne.

Вимірявши затримувальну напругу, можна знайти максимальне значення кінетичної енергії електронів, що вириваються світлом із катода: (1)

так як найбільша кінетична енергія електронів дорівнює виконаній ними роботі проти сил електричного поля. Електрони не можуть подолати гальмівну дію електричного поля і долетіти до аноду (в даному випадку “-“).

Червоне світло з великою довжиною хвилі не вибивало електрони, а фіолетове за будь-якого малого світлового потоку легко вибивало електрони.

4. На основі цих дослідів сформульовано закони зовнішнього фотоефекту:

1) кількість електронів, вирваних світлом з поверхні металу за 1 с, є прямо пропорційні поглинутій енергії світлової хвилі; (Чим більше фотонів, тим більше вирваних електронів)

2) максимальна кінетична енергія фотоелектронів зростає лінійно з частотою світла і не залежить від його інтенсивності; (кінетична енергія електронів пропорційна частоті світла)

3) для кожної речовини існує червона межа фотоефекту (поріг фотоефекту) - така найменша частота min (чи найбільша довжина світлової хвилі max), за якої ще можливий фотоефект;

4) фотоефект є безінерційним t=10-9с і виліт фотоелектронів починається з моменту освітлення катода.

5. Лише перший закон зовнішнього фотоефекту можна було пояснити на основі класичної електромагнітної хвильової теорії. Електромагнітна хвиля, досягши поверхні металу, спричиняє вимушені коливання електронів, відриваючи їх від металу. При цьому порушується безінерційність явища та й те, що кінетична енергія електронів не залежить від амплітуди в електромагнітній хвилі. Повне пояснення фотоефекту 1905 року дав А.Ейнштейн, розвиваючи далі ідеї Планка про переривчастість випромінювання світла. В експериментальних законах фотоефекту Ейнштейн побачив докази того, що світло має переривчасту структуру і поглинається окремими порціями. Він висловив припущення, що фотоефект відбувається внаслідок поглинання електроном одного кванта, а інші кванти не можуть брати участі в цьому процесі. Ці кванти інакше називаються фотонами.

6. Кінетичну енергію фотоелектрона можна знайти, використавши закон збереження енергії. Енергія порції світла h витрачається на виконання роботи виходу Aвих, тобто роботи, яку треба виконати для виривання електрона з поверхні металу, і на передавання електрону кінетичної енергії:

(2)

Вираз (2) називають рівнянням Ейнштейна для фотоефекту. Він пояснює основні закономірності фотоефекту. Енергія кванта має бути більшою ніж Aвих.

Мінімальна частота (червона межа), з якої речовини починається фотоефект:

(3)

Наприклад, для цинку червона межа відповідає довжині хвилі min= 3,7·10-7 м ультрафіолетового проміння.

7. Розрізняють: зовнішній фотоефект - явище вибивання електронів з поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання; внутрішній фотоефект - явище збільшення електропровідності напівпровідника або діелектрика за рахунок електронів, вирваних з молекул або атомів під дією світла; вентильний фотоефект - збудження ЕРС на межі метал-напівпровідник чи на межі різнорідних напівпровідників.

Відкриття явища фотоефекту мало велике значення для більшого розуміння природи світла. Але цінність науки полягає не тільки в тому, що вона з'ясовує складну і багатогранну будову навколишнього середовища, а і в тому, що наука дає нам в руки засоби, за допомогою яких можна удосконалити виробництво, поліпшувати умови матеріального і культурного життя.

Завдяки відкриттю фотоефекту стало можливим:

1) звукове кіно;

2) створення різноманітних апаратів, які слідкують за освітленістю вулиць, своєчасно запалюють і гасять бакени на річках, працюють "контролерами" в метро, рахують готову продукцію, контролюють якість обробки деталей;

3) перетворення світлової енергії в електричну за допомогою фотоелементів.

Промисловість виготовляє фотоелементи двох типів - вакуумні та напівпровідникові.

1. Вакуумні фотоелементи із зовнішнім фотоефектом. Дно невеликої скляної колби з глибоким вакуумом покривають цезієм і приєднують до "-" батареї. У центрі колби знаходиться металеве кільце, яке з'єднують із затискачем "+" батареї. Унаслідок освітлення приладу світлом із цезію вириваються електрони і летять до металевого кільця. У результаті в центрі фотоелемента виникає струм.

2. Напівпровідникові фотоелементи з внутрішнім фотоектом: фотоопори, фотодіоди, сонячні батареї та ін. (рис. 2). Це напівпровідники із власною чи домішковою провідністю. У сонячних батареях створюють р-п - перехід, доступний для світла. Під час освітлення фотоелемента змінюється концентрація вільних носіїв зарядів, а з нею і струм. Якщо в сонячній батареї світло потрапить в п-р - перехід, то між р і п ділянками виникає напруга.

Рис. 2

Найважливіше значення фотоефекту полягає в тому, що його відкриття і дослідження стали експериментальною основою квантової теорії. Саме за пояснення законів фотоефекту на основі квантової теорії А. Ейнштейну було присуджено Нобелівську премію.

Запитання для самоперевірки

1. У чому полягає явище фотоефекту?

2. Хто відкрив явище фотоефекту?

3. Побудуйте схему установки досліду Герца і поясніть його сутність.

4. Поясніть графічно дослід О. Г. Столєтова.

5. Поясніть закони фотоефекту з погляду квантової теорії світла.

6. Зобразіть вольт-амперну характеристику фотоефекту і поясніть її особливості.

7. Напишіть формулу Ейнштейна для фотоефекту і поясніть її фізичну суть.

8. Яка умова існування фотоефекту?

9. Що називають "червоною межею" фотоефекту?

10. Запишіть формулу для "червоної межі" фотоефекту.

11. Чому енергія фотоелектронів визначається тільки частотою світла?

12. У чому суть явища зовнішнього фотоефекту ?

13. Що називають внутрішнім фотоефектом?

14. Що називають фотоелементом? Нарисуйте і поясніть будову і принцип дії вакуумного фотоелемента, заснованого на зовнішньому фотоефекті. Чому такі фотоелементи не використовують як джерела електроенергії?

15. Який принцип дії фотоелемента з внутрішнім фотоефектом?

16. У чому полягає принципова розбіжність між зовнішнім і внутрішнім фотоефектами?

17. Що таке фоторезистор? Який його принцип дії? Як і де використовують фоторезистор?

Приклади розв'язування задач

Задача 7.1. Якої швидкості отримують вирвані з калію електрони внаслідок опромінення його фіолетовим світлом з довжиною хвилі 0,42 мкм, якщо робота виходу електронів з калію Aвих = 2 eB?

де h = 6,63·10-34 Дж·с; частота падаючого світла; me - маса електрона; 9,1·10-31кг.

Визначимо частоту . Тут с = 3·108м/с - швидкість світла. З рівняння (1) отримуємо вираз для швидкості:

Розраховуємо :

Відповідь:  = 5,57·105 м/с.

Задача 7.2. "Червона" межа фотоефекту для деякого металу дорівнює 0,5 мкм. За якої частоти світла електрони, що відірвалися з його поверхні, повністю затримуються зворотним потенціалом в 3,0 B?

(1)

Кінетична енергія міститься в рівнянні Ейнштейна для фотоефекту.

Підставляючи в нього вираз (1) маємо

(2)

Величину роботи виходу визначаємо через частоту, що відповідає "червоній межі" фотоефекту, котра пов'язана із відповідною довжиною хвилі співвідношенням

. (3)

Підставляючи вираз (3) у рівняння (2), отримуємо вираз для частоти

.

Виконуємо розрахунок

.

Відповідь: 1,3·1015 Гц.

Задача 7.3. На рис. 3 показано вольт-амперну характеристику деякого вакуумного фотоелемента. Катод освітлюється світлом, довжина хвилі якого 3,3·10-7 м. Знайти роботу виходу електрона із катода.

(1)

Рис. 3

Процес фотоефекту описується рівнянням Ейнштейна:

(2)

Із цих рівнянь отримуємо:

.

Відповідь: A = 2,8·10-19 Дж.

Д.З. 1. Вивчити §68,69. Закінчити розв'язок задач.

2. Підготуватися до семінару: фотореле, фоторезистор, фото діоди, сонячні батареї, відтворення звуку, тиск світла.

Задача 7.3. Внаслідок переходу атома водню з одного стаціонарного стану в інший випромінюється фотон з довжиною хвилі 0,486 мкм. Визначити, на скільки зменшиться енергія атома. Відповідь навести в електрон-вольтах?

Задача 7.4. Розрахувати енергію зв'язку ядра атома дейтерію. Відповідь навести в електрон-вольтах. Використати необхідні довідкові дані для мас.

Задача 7.5. Лампочка кишенькового ліхтарика споживає потужність близько 1 Вт. Припустивши, що ця потужність розсіюється у всіх напрямах у вигляді випромінювання і що середня довжина хвилі дорівнює 1 мкм, визначити кількість фотонів, що падають на 1 см2 площинки, поставленої перпендикулярно до променів на відстані 10 км протягом 1 c.

Задача 7.7. Кишеньковий дозиметр радіоактивного випромінювання, що є мініатюрною камерою ємністю 3 пФ, заряджений до потенціалу 180 В. Під впливом випромінювання потенціал знизився до 160 В. Скільки рентген покаже дозиметр, якщо до цього він був виставлений на нуль, а об'єм повітря в камері 1,8 см3?

Задача 7.7. Кишеньковий дозиметр радіоактивного випромінювання, що є мініатюрною камерою ємністю 3 пФ, заряджений до потенціалу 180 В. Під впливом випромінювання потенціал знизився до 160 В. Скільки рентген покаже дозиметр, якщо до цього він був виставлений на нуль, а об'єм повітря в камері 1,8 см3?

(пар іонів).

Одному рентгену відповідає доза опромінення, за якої в 1 см3 повітря виникає 2,082·109 пар іонів. Отже, зареєстрована дозиметром доза опромінення

.

Відповідь: Д  0,1 P.

Задача 7.8. Радіоактивний натрій розпадається з періодом піврозпаду 14,8 годин. Обчислити кількість атомів, що розпалися в 1 мг цього радіоактивного препарату за 10 годин.

Задача 7.9. Скільки грамів урану з атомною масою 0,238 кг/моль розщеплюється протягом доби на атомній електростанції, теплова потужність якої становить 106 Вт? Дефект маси під час поділу ядра урану дорівнює 4·10-28 кг. ККД станції становить 20 %.

Задача 7.10. Яка кількість енергії виділяється в результаті термоядерної реакції синтезу 1 г гелію із дейтерію і тритію?

Задача 7.11. Внаслідок бомбардування ядер ізотопу бору нейтронами з утвореного ядра викидаються частинки. Записати реакцію.

Размещено на Allbest.ru