Урок физики в 11 классе "Законы фотоэффекта"
презентация к уроку по физике (11 класс) по теме

11 класс

Тест «Квантовая Физика»

1. При фотоэффекте  число электронов, выбиваемых монохроматическим светом из металла за единицу времени, не зависит от

А – частоты падающего света

Б – интенсивности падающего света

В – работы выхода электронов из металла

Какие утверждения правильные?

1. А и В              2) А, Б, В                    3) Б и В                          4) А и Б

2. Внешний фотоэффект  - это явление

1) почернения фотоэмульсии под действием света

2) вырывания электронов с поверхности вещества под действием света

3) свечения некоторых веществ в темноте

4) излучения нагретого твердого тела.

3. При исследовании фотоэффекта А.Г. Столетов выяснил, что

       1)энергия фотона прямо пропорциональна частоте света

       2) вещество поглощает свет квантами

       3) сила фототока прямо пропорциональна частоте падающего света

       4) фототок возникает при частотах падающего света, превышающих некоторое значение.

4. Металлическую пластину освещали монохроматическим светом одинаковой  интенсивности: сначала красным, потом зеленым, затем синим. В каком случае максимальная кинетическая энергия  вылетающих фотоэлектронов была наибольшей?

1. при освещении красным светом
2. при освещении зеленым светом
3. при освещении синим цветом
4. во всех случаях одинаковой.

5. От чего зависит максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, выбиваемых       из металла при фотоэффекте?

А – частоты падающего света

Б – интенсивности падающего света

В – работы выхода электронов из металла

Какие утверждения правильные?

       1)только Б               2) А и  Б                    3) А и В                          4) А, Б и В

6. При фотоэффекте работа выхода электрона из металла зависит от

1. частоты падающего света
2. интенсивности падающего света
3. химической природы металла
4. кинетической энергии вырываемых электронов.

7. На неподвижную пластинку из никеля падает электромагнитное излучение, энергия фотонов которого равна 8 эВ. При этом в результате фотоэффекта из пластины вылетают электроны с максимальной кинетической энергией 3 эВ. Чему равна работа выхода электронов из никеля?

1) 11 эВ                    2) 5 эВ                             3) 3 эВ                              4) 8эВ

Фотоэффект

1. На металлическую пластинку с работой выхода А=2 эВ падает излучение, имеющее три частоты различной интенсивности. Определите кинетическую энергию фотоэлектронов в каждом случае.
2. Фотокатод  облучают светом с длиной волны λ=300 нм. Красная граница фотоэффекта для вещества катода λmax=450 нм. Какое напряжение U нужно создать между анодом и катодом, чтобы фототок прекратился?
3. Красная  граница фотоэффекта для вещества фотокатода λmax=450 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается, когда напряжение между анодом и катодом U=1,4 В. Определите длину волны падающего света λ.
4. При облучении катода светом с длиной волны λmax=300 нм фототок прекращается, когда напряжение между анодом и катодом U=1,4 В. Определите красную границу фотоэффекта λmax для вещества фотокатода.()
5. Фотокатод, покрытый кальцием (работа выхода А=4,42*10-19 Дж), освещается светом с длиной волны λ=300 нм. Вылетевшие из катода электроны попадают в однородное магнитное поле с индукцией В=8,3*10-4 Тл перпендикулярно линиям индукции этого поля. Рассчитайте максимальный радиус окружности R, по которой движутся электроны.( R =4,7*10-3 м)
6. В вакууме находятся два покрытых кальцием электрода, к которым подключен конденсатор емкостью С=8000 пФ. При длительном освещении катода светом фототок, возникший вначале, прекращается, а на конденсаторе появляется заряд q=11*10-9  Кл. Работа выхода электронов из кальция А=4,42*10-19 Дж. Определите  длину волны λ света, освещающего катод.( λ=300 нм)

Тема: «Внешний фотоэффект»

Цель урока:

•  Сформировать понятие о фотоэффекте.
•  Объяснить законы фотоэффекта на основе квантовой теории.
•  Научить определять красную границу фотоэффекта.
•  Познакомить учащихся с практическим применением фотоэффекта.

Содержание:

• 1.История открытия  фотоэффекта.

  В конце  XIX - начале XX вв. учеными открыты атомы, ядра атомов, электроны и некоторые другие микрочастицы. Эти физические объекты имеют размеры  10 -10 -10 -15  и меньше. Мир малых частиц называют микромиром. Проникнув в микромир, люди узнали много нового. Известные тогда законы механики  и электродинамики не объясняли  некоторые открытые явления микромира.  Так,  опираясь на эти законы, нельзя объяснить, почему атом, состоящий из ядра и электронов, устойчив, почему атомы излучают свет определенной частоты,  почему нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных, волн не охлаждается до абсолютного нуля.  Накопился ряд опытных фактов, которые не смогла объяснить физическая теория того времени – электромагнитная теория Максвелла.  Как объяснить новые экспериментальные факты, каким новым законам подчинено движение микрочастиц?  В спорах  ученых и  борьбе научных  мнений  возникли и получили развитие новые физические идеи: о дискретных  уровнях энергии атомов, о волновом характере движения частиц, о квантовой природе света. Они легли в основу новой области физики.  Квантовая физика – это раздел современной физики, в котором изучаются свойства строения атомов и молекул, движение и взаимодействие микрочастиц.  В возникновении квантовой физики важнейшую роль сыграло изучение взаимодействия электромагнитных волн с веществом.

  В 1886 г. немецкий физик Г. Герц, конструируя приемник электромагнитных волн (диполь Герца), всячески воздействовал на шарики и промежуток между ними, чтобы облегчить прием сигнала. Среди многих воздействий он пробовал освещать шарики излучением. Он установил, что при освещении  ультрафиолетовыми лучами отрицательно заряженного проводник, прием устойчивее.  Таким образом, было  открыто явление электролизации металлических поверхностей при их освещении. Позднее ученые выяснили, что под действием света часть электронов, входящих в состав тела, покидают его. Явление вырывания электронов из металла под действием света называется фотоэффектом.

2.Поиск закономерностей нового явления.  Исследования А.Г.Столетова.

Для начала рассмотрим серию опытов.

2.1. Сообщим отрицательный заряд электрометру Э, соединенному с цинковой пластиной  П.  Этот заряд  сохраняется остаточно долго.   Если осветить дуговым фонарем Д, то электрометр начинает разряжаться (демонстрация №1).

Демонстрация №1

2.2. Перекроем поток лучей стеклом разряд электрометра сразу прекращается (демонстрация №2).

Демонстрация №2

2.3. Теперь сообщим положительный заряд, то при таком же освещении разряд электрометра не наблюдается (демонстрация №3).

Демонстрация №3

2.4. Если увеличить интенсивность потока падающего света (придвинуть ближе фонарь), то скорость стекания заряда увеличится, т.е. электрометр разряжается быстрее (демонстрация №4).

Демонстрация №4

2.5. Если же заменить цинковую пластинку на медную, то,  повторив опыты при тех же условиях,  результаты будут другими.

  По результатам опыта можно сделать  выводы:

  1. Под  действием света разряжается только  отрицательно заряженные металлы. Разряд металлов означает, что из него вырываются электроны. Следовательно, при некоторых  условиях свет способен вырывать электроны из металла.

  2. Разряд начинается одновременно с началом освещения, следовательно, фотоэффект безынерционен.

  3.Наличие фотоэффекта  зависит от рода освещаемого металла и от спектрального состава излучения. Скорость разряда зависит также и от падающей за единицу времени  световой энергии.

  После открытия Герцем явления фотоэффекта, его исследованиями занялся русский физик А.Г.Столетов (1839 – 1896).

  Изучим закономерности фотоэффекта на установке подобной установке Столетова.

   В стеклянный  баллон, из которого выкачан воздух, помещают два электрода. Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через окошко. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром.  К освещаемому электроду  присоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток (демонстрация №5)

Демонстрация №5

Если с помощью потенциометра увеличить напряжение на электродах  (интенсивность света не меняется), то по показаниям гальванометра видно что, сила тока увеличивается (демонстрация №6)

Демонстрация №6

При некотором значении напряжения сила тока достигает максимального значения  и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не меняется. Максимальное значение силы тока   I нас  называется током насыщения. Ток насыщения определяется числом электронов испущенных за 1с освещаемым электродом. Если уменьшится интенсивность падающего света, то сила тока насыщения уменьшится (рисунок 1) (демонстрация №7).

Рисунок 1

Демонстрация №7

Сила фототока насыщения прямо пропорциональна  интенсивности  излучения, падающего на металл. Это можно объяснить тем, что число фотоэлектронов, вырываемых с катода за единицу времени  прямо пропорционально интенсивности света.

I нас ~ Ф

2. Если перед падающим белым светом поставить фиолетовый светофильтр, то фотоэффект для данного металла наблюдается. Если  же  поставить красный светофильтр, то фотоэффект не наблюдается.

 Независимо от интенсивности излучения фотоэффект начинается         только при некоторой частоте падающего света. Эта частота будет различной для различных металлов. При меньших частотах фотоэффект для металла наблюдаться не будет. Поэтому наименьшую частоту, при которой начинается фотоэффект или соответствующую ей длину волны называют красной границей фотоэффекта (демонстрация №8).

Демонстрация №8

3.  Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от  интенсивности света. Она линейно  возрастает с увеличением частоты падающего света (демонстрация №9).

Демонстрация №9

3. Объяснение  законов фотоэффекта на основе волновой теории света. Недостатки волновой теории света.

Согласно волновой теории света, свет несет электромагнитную энергию, которую при освещении металла передает электронам. Скорости электронов в металле различны. Среди них электроны с такими  скоростями, для которых полученной от света энергии достаточно для того, чтобы покинуть металл. Таким образом, волновая электромагнитная природа света позволяет объяснить само явление фотоэффекта.

  Металлы представляют собой потенциальную яму  для электрона, т.е. удерживают электрон. Различные металлы притягивают вылетевший из них электрон с разной силой. Поэтому скорость вылетевших фотоэлектронов зависит от рода металла.

   Чем большее интенсивность светового потока, тем большее число электронов в металле могут увеличить свою энергию и вырваться за пределы металла. Это демонстрирует зависимость фототока насыщения в вакуумном фотоэлементе от интенсивности падающего света.    

    Согласно электромагнитной природе света, интенсивность светового потока должна определять кинетическую энергию электронов. Однако оказалось, что кинетическая энергия электронов, вылетевших из металла под действием света, не зависит от  интенсивности падающего света, а зависит от его частоты. А само явление фотоэффекта наблюдается не при любых частотах, а начиная с некоторой минимальной частоты, характерной для каждого металла. Объяснение того, почему существует порог фотоэффекта  (красная граница), почему максимальная  начальная скорость (или   максимальная кинетическая энергия  фотоэлектронов) не зависит от интенсивности  света, а определяется только его частотой (линейно возрастает с частотой ), а также объяснение безынерционности  фотоэффекта не может быть дано на основе волновой  электромагнитной теории света. Ведь по этой теории вырывание  электронов является результатом их “раскачивания “ в переменном электрическом поле световой волны. Но тогда и скорость  и кинетическая энергия фотоэлектронов должна зависеть от амплитуды вектора  напряженности электрического поля волны и, следовательно, от  интенсивности, “раскачку’’ электрона требуется время, эффект не может быть    безынерционным.

   Несоответствие экспериментальных фактов сложившейся волновой теории света доказывало ее несостоятельность при объяснении взаимодействия света с веществом и  требовало создания новой физической теории, позволяющей по-другому посмотреть на природу света.

•  Законы фотоэффекта.  

Фотоэффект был не первым явлением, в котором невозможно применить электромагнитные представления о свете. Впервые недостатки этих представлений были обнаружены при изучении закономерностей теплового излучения.  

Для объяснения теплового излучения в 1900 г. М.Планк вынужден был высказать, на первый взгляд нелепую идею, что тело излучает  энергию не непрерывно, а отдельными порциями (квантами). Эта идея противоречила сложившимся преставлениям классической физики, где процессы и величины, характеризующие свет изменяются непрерывно.

В 1905г. А. Эйнштейн эту идею развил для объяснения фотоэффекта. Он к гипотезе Планка добавил постулат о том, что свет не только испускается, но и поглощается квантами с энергией: E=hv,

 где  h - постоянная Планка, v-частота падающего на металл света.

Энергия фотона пропорциональна частоте света. Чем больше частота излучения, тем большую энергию несет каждый его фотон. Энергия фотонов длинноволнового излучения меньше.

Далее Эйнштейн для описания взаимодействия кванта света с электроном использовал закон сохранения энергии: энергия кванта света идет на совершение работы по вырыванию электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии:

hv = Aв + Ек  - уравнение фотоэффекта -  уравнение Эйнштейна.  

где  hv – энергия фотона;  Aв – работа выхода из металла; Ек -максимальная кинетическая энергия электрона.

В этой формуле идет речь о максимальной кинетической энергии электрона, так как Эйнштейн предположил, что каждый фотон взаимодействует не со всем веществом, на которое падает свет и даже не с атомом в целом,  а с отдельным электроном атома. Фотон отдает  свою энергию  электрону, а  электрон,  получив энергию, вырывается из металла с определенной кинетической энергией (демонстрация №10).

Демонстрация №10

•  Квантовая теория фотоэффекта.

Сила фототока насыщения определяется числом электронов, вылетающих за единицу времени с освещаемой поверхности, а интенсивность света – числом ежесекундно падающих фотонов. Так как каждый фотон может выбить с поверхности металла лишь один электрон, то, естественно, что сила фототока насыщения (число вырванных электронов) будет пропорционально интенсивности света (числу падающих фотонов).

   Важно заметить, что наблюдают прямую пропорциональность, а не равенство, так как часть падающих на металл фотонов отражается, а из поглощенных  фотонов не все вырывают из металла  свободные электроны. Энергия части поглощенных фотонов превращается  во внутреннюю энергию металла.

  Далее объясняют,  почему наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов зависит  от частоты падающего света,  а не от его интенсивности  (второй закон фотоэффекта).  Из уравнения Эйнштейна Ек =  hv  – Aв следует: так как для вещества работа выхода постоянна (Aв  = const) ,то наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте падающего света. Анализируя случай когда энергия светового кванта численно равна работе выхода  Aв:

hv min= Aв , или  v min =  Aв /h

 Следовательно, вся энергия  фотона идет на совершение работы  выхода и скорость электронов равна нулю. Минимальная (граничная) частота фотоэффекта v min= Aв / h . При условии  v < v min  фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта. Она зависит только  от работы выхода, т.е. от химической природы металла, и может лежать на любом   участке оптического диапазона.  Для каждого вещества  есть своя красная граница фотоэффект (третий закон фотоэффекта).

  Таким образом, уравнение фотоэффекта объясняет все законы внешнего фотоэффекта.

•  Применение фотоэффекта.

Фотоэффект  широко используется в науке и технике для регистрации и измерения световых потоков, для непосредственного преобразования и измерения света в энергию электрического тока, для преобразования световых сигналов в электрические сигналы.  Приборы, действие которых основано на явлении фотоэлектрического эффекта, называются фотоэлементами. Простейший, вакуумный, фотоэлемент представляет собой эвакуированный стеклянный баллон, часть внутренней поверхности которого покрыта слоем металла, играющим роль фотокатода. При освещении катода из него, вследствие внутреннего фотоэффекта (под действием света, падающего на полупроводник и диэлектрик, из их атомов освобождаются и становятся свободными электроны-электроны проводимости), выбиваются электроны, и в  цепи возникает фотоэлектрический ток. Величина напряжения батареи выбирается такой, чтобы фототок был равнее току насыщения. В зависимости от спектрального состава света используются фотоэлементы, катоды которых изготовлены из различных материалов.

  Полупроводниковые фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, или фотосопротивления, обладают значительно большей чувствительностью, чем описанные выше фотоэлементы, в которых используется внешний фотоэффект.

   Фотосопротивления широко применяются для обнаружения и измерения инфракрасного и других излучений.

  Фотоэлементы применяются в автоматике (автоматическое открывание дверей при подходе человека или ворот гаража въезжающему  в него автомобиля, при автоматическом включении и выключении городской осветительной сети), для подачи сигналов точного времени, в химическом производстве для проверки прозрачности жидкости, в телевидении и звуковом кино.