Искусство экспериментатора состоит в том, чтобы уметь задавать природе вопросы и понимать её ответы М. Фарадей Теория и законы фотоэффекта

Обнаружение явления фотоэффекта 1887 г.Генрих Герц (нем. физик) Фотоэффектом называют вырывание электронов с поверхности металла под действием света Выводы. Тело теряет заряд только в том случае, если оно заряжено отрицательно. Причиной ухода зарядов с цинковой пластинки является свет, причём под действием света выбиваются только отрицательные заряды- электроны. Тело не теряет заряда под влияние света, если оно заряжено положительно. Интенсивность фотоэффекта зависит от рода металла. Разряжающие действие лучей пропорционально их энергии, явление вызывается УФ лучами.

Гипотеза М. Планка Теория Планка выдвинута в 1900 году на собрании Немецкого физического общества. М. Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями- квантами. Свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями (фотонами). Свойства фотона: Фотон способен легко зарождаться и исчезать в отличии от электрона и протона. Фотон не имеет массы покоя. Неподвижных фотонов не существует. Фотоны всегда в любом веществе движутся со скоростью света.

Описание фотоэффекта 1890 г.Александр Григорьевич Столетов установил количественные закономерности фотоэффекта. И только преждевременная смерть не позволила ему довести исследования до конца и установить, что является носителями фототока. Мы гордимся выдающимися трудами ученого.

Первый закон фотоэффекта Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. Пропорционально, а не равно, потому что часть квантов поглощается кристаллической решеткой, и их энергия переходит во внутреннюю энергию металла. Этим объясняется первый закон фотоэффекта.

Второй закон фотоэффекта Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Каждый фотоэлектрон вырывается из катода за счет действия одного кванта излучения. Отсюда становится ясным, почему кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от энергии одного кванта (т.е. частоты волны), а не полной энергии волны. Формула Эйнштейна определяет именно максимальную энергию фотоэлектронов вылетающих с поверхности катода. Электроны, вырываемые изнутри металла, могут потерять часть энергии, и их скорость может оказаться меньше максимальной.

Третий закон фотоэффекта Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – наименьшая частота (или наибольшая, «красная», длина волны) при которой еще возможен фотоэффект. Так как кинетическая энергия не может быть меньше нуля, то фотоэффект могут вызвать лишь кванты, энергия которых не меньше работы выхода

1905 г.Альберт Эйнштейн обосновал квантовую природу фотоэффекта и все его закономерности. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями. Поглотиться может только вся порция целиком. Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии: Интенсивность света по Эйнштейну пропорциональна числу порций энергии в световом пучке и поэтому определяет число электронов вырванных из металла. Скорость электронов определяется только частотой света и работой выхода, при этом не зависят его интенсивности А - зависит от рода металла и состоянии его поверхности.

І. Внешний фотоэффект Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный сосуд, в котором создан глубокий вакууме Половину баллона покрывают тонким слоем серебра (это подложка), на который насыпают светочувствительный слой из металла, оксида бария или соединения сурьмы с цезием и т.п. Этот электрод служит катодом. В центре фотоэлемента помещают анод в виде стержня, кольца или цилиндра. При включении в цепь фотоэлемента, ток в ней не возникает из-за отсутствия свободных электронов между катодом и анодом. Однако если катод осветить, то из него вылетают фотоэлектроны, и в цепи течёт ток. А так как сила фототока пропорциональна интенсивности света, то колебания освещенности катода вызывают колебания силы тока в цепи.

Применение : 1. Кино: воспроизведение звука 2. Фототелеграф. 3. Фотометрия: для измерения силы света, яркости, освещенности. 4. Управление производственными процессами.

II. Внутренний фотоэффект Фоторезистор – устройство, сопротивление которого зависит от освещенности. Механизм внутреннего фотоэффекта. При попадании излучения внутрь вещества происходят два явления. Одни кванты излучения, поглощаясь атомами (или ионами), увеличивают кинетическую энергию их теплового движения, поэтому вещество нагревается. Другие кванты излучения, поглощаясь атомами, производят фотоионизацию, в результате чего в веществе образуются дополнительные носители заряда – электроны проводимости и дырки. Их образование ведет к уменьшению электрического сопротивления. Используется при автоматическом управлении электрическими цепями с помощью световых сигналов и в цепях переменного тока.

III. Вентильный фотоэффект Полупроводниковый фотогальванический элемент – прибор, в котором образуется электродвижущая сила в электрическом переходе между разнородными полупроводниками при действии на него электромагнитного излучения. Механизм вентильного фотоэффекта При поглощении кванта излучения электронным полупроводником освобождается дополнительная пара носителей заряда – электрон проводимости и дырка, которые движутся в разных направлениях: генерируемая дырка движется в сторону дырочного полупроводника, а генерируемый электрон проводимости – в сторону электронного полупроводника. В результате образуется избыток электронов проводимости в одном полупроводнике и избыток дырок в другом. Так на электродах фотоэлемента создается фотоэлектродвижущая сила. Используется в солнечных батареях, которые имеют КПД 12-16% и применяются в искусственных спутниках Земли, при получении энергии в пустыне.

Применение фотоэффекта Фотоэлектрический эффект нашел широкое применение в технике. На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Сила фототока в вакуумных фотоэлементах мала. Для усиления тока используют иногда ударную ионизацию газа. С этой целью баллон заполняют инертным газом (чаще всего аргоном) под давлением около 1-10 Па. За счёт ударной ионизации сила тока возрастает в десятки раз. Вакуумные фотоэлементы применяются в схемах световой сигнализации, а также в звуковом кино для воспроизведения звука, записанного на кинопленке.

Применение фотоэффекта Существуют светочувствительные полупроводники, повышение электропроводимости которых вызывается излучением очень малых частот, приходящихся на далёкую инфракрасную область спектра. Такое тепловое излучение испускается нагретыми телами. Тем самым присутствие даже слабо нагретых тел может быть обнаружено на больших расстояниях по тому действию, которое оказывает их излучение: в электрической цепи со светочувствительным полупроводником возрастает электропроводимость. С помощью усилителей такой ток может быть доведен до значений, позволяющих обнаружить нагретое и излучающее тело.

Применение фотоэффекта Простейший фоторезистор представляет собой стеклянную пластинку, на которую нанесён тонкий слой полупроводника; на поверхности последнего укреплены токопроводящие электроды. Всё это покрыто прозрачным лаком. Недостатком фоторезисторов является зависимость их свойств от температуры. Для создания фоторезисторов, работающих в области видимого света, применяют сульфит кадмия, сульфит таллия, в инфракрасной области- селенид и теллурид свинца. Полупроводниковые фотоэлементы обладают рядом преимуществ (механическая прочность, высокая чувствительность к различным областям спектра).

На местах Задача 1. Определить длину волны красной границы фотоэффекта для серебра. Работа выхода для серебра равна 6,9·10 ֿ 19 Дж. Задача 2. Определить кинетическую энергию электронов, вылетающих из калия (А=3,5·10 19 Дж) при его освещении лучами длиной волны 3,45·10 ֿ 7 м. Задача 3. На поверхность вольфрама, работа выхода электрона из которого равна 7,2·10 ֿ 19 Дж, падают лучи длиной волны 250 нм. Определить скорость фотоэлектрона и его кинетическую энергию (m = 9,1·10 ֿ 31 кг.) Задача 4. Работа выхода электрона из бария равна 3,9·10 ֿ 19 Дж. Скорость фотоэлектронов 3·10 5 м/с. Определить длину световой волны и красную границу фотоэффекта.(m = 9,1·10 ֿ 31 кг.)

У доски Задача 5. Длина волны света, соответствующая красной границе фотоэффекта, для некоторого металла 275 нм. Найти максимальную скорость электронов, вырываемых из металла светом длиной волны 180 нм. Задача 6. Найти частоту света, вырывающего из металла электроны, которые полностью задерживаются разностью потенциалов 3 В. Красная граница фотоэффекта для данного металла 6·1014 Гц.