ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ Законы фотоэффекта Объяснение фотоэффекта

После изучения темы: Уметь: анализировать график зависимости I(U), объяснять наличие тока насыщения, законы фотоэффекта на основе уравнения Эйнштейна, объяснять смысл запирающего напряжения, объяснять смысл уравнение Эйнштейна. решать задачи на уравнение Эйнштейна

Открытие фотоэффекта Фотоэлектрический эффект открыт в 1887 году немецким физиком и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. Г. Герцем

Внешний фотоэффект 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: 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. ПОЧЕМУ?

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.

Внешний фотоэффект Фотоэффект Фотоэффект - явление испускания электронов с поверхности металла под действием света. Т.е. свет выбивает (вырывает) электроны из металла.

Столетов Александр Григорьевич ( ) 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 (1876 г.). В г. выполнил цикл работ по исследованию явления внешнего фотоэффекта, создал первый фотоэлемент (1888 г.), является основоположником количественных методов исследования фотоэффекта, изучал несамостоятельный газовый разряд, исследовал критическое состояние вещества, многое сделал для развития физики в России. В 1872 г создал первую физическую лабораторию и исследовательский институт при Московском университете. Количественные закономерности фотоэффекта были установлены Александром Григорьевичем Столетовым ( ).

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

Результаты опытов: вольт-амперная характеристика Результаты опытов: вольт-амперная характеристика Начиная с некоторого значения напряжения сила тока в цепи перестает изменяться, достигнув насыщения. При следовательно, выбитые электроны обладают кинетической энергией. I0I0 Сила тока насыщения прямо пропорциональна числу электронов, выбитых светом за 1 с с поверхности катода:

Вольт-амперная характеристика. Вольт-амперная характеристика. При таком значении напряжения сила тока в цепи анода равна нулю. I0I0 Напряжение запирания (запирающее напряжение) При U > U з в результате облучения электроны, выбитые из электрода, могут достигнуть противоположного электрода и создать некоторый начальный ток.

Вольт-амперная характеристика. Вольт-амперная характеристика. Согласно закону сохранения энергии где m - масса электрона, υ max - максимальная скорость фотоэлектрона.

Зависимость числа выбитых электронов от светового потока. Световой поток, падающий на фотокатод, увеличивается, а его спектральный состав остается неизменным: Ф 2 > Ф 1 Сила тока насыщения и, следовательно, число выбитых светом за 1 с электронов увеличивается: I нас,2 >I нас,1 Значение запирающего напряжения не меняется! ν1= ν2ν1= ν2

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).

Зависимость тока насыщения от частоты падающего света При частоте ν = ν min запирающее напряжение равно нулю. При частоте ν < ν min фотоэффект отсутствует. Если частоту света увеличить, то при неизменном световом потоке запирающее напряжение увеличивается, а, следовательно, увеличивается и кинетическая энергия фотоэлектронов. При неизменной мощности светового потока ток насыщения не зависит от частоты падающего света (см. нижний график)

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 > ν min. 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 = 6,6310 Джс

На основании закона сохранения энергии: Смысл уравнения Эйнштейна: энергия кванта тратится на работу выхода электрона из металла и сообщение электрону кинетической энергии. В этом уравнении: ν - частота падающего света, m - масса электрона (фотоэлектрона), υ - скорость электрона, h - постоянная Планка, A - работа выхода электронов из металла. Уравнение Эйнштейна (1921 г – Нобелевская премия)

Работа выхода Работа выхода - это характеристика материала катода (табличная величина ). Она показывает, какую работу должен совершить электрон, чтобы преодолеть поверхностную разность потенциалов и выйти за пределы данного металла. Работа выхода обычно измеряется в электронвольтах (эВ). 1 эВ = 1,610 Дж

Доказательство законов фотоэффекта на основании идеи Эйнштейна: Световой поток состоит из отдельных фотонов. Число фотонов N ф равно числу вырванных электронов N э. 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 W к = 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 λ кр 680 нм ( желто - оранжевый свет ) Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.

Определение постоянной Планка Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего напряжения U з 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 согласование со значением, найденным Планком.

Проверьте себя Используя вопросы для самоконтроля (прилагаются) расскажите о физическим смысле явления фотоэффекта, описывающих его законов, входящих в них величин. Подумайте: где и для чего мы используем явление фотоэффекта. Попробуйте решить задачи (см. ОК «Задачи для самостоятельного решения», ур. А, В, С, тексты прилагаются) Попробуйте выполнить тесты из «Открытой Физики 2.5» (либо прилагающиеся диагностические тесты 2-х уровней)