Фотоэффект.
В 1888 г. Г. Герц обнаружил, что при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.
Фотоэффект можно наблюдать в следующих случаях:
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.
2. Ультрафиолетовые лучи, проходящие через сетчатый положительныйэлектрод, попадают на отрицательно заряженную цинковую пластину и выбивают из нее электроны, которые устремляются к сетке, создавая фототек, регистрируемый чувствительным гальванометром.
Законы фотоэффекта
Количественные закономерности фотоэффекта (1888—1889) были установлены А. Г. Столетовым.
Он использовал вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами. Через кварцевое стекло на катод попадает свет (в том числе ультрафиолетовое излучение). С помощью потенциометра можно регулировать напряжение между электродами. Ток в цепи измерялся миллиамперметром.
В результате облучения электроны, выбитые из электрода, могут достигнуть противоположного электрода и создать некоторый начальный ток.
При увеличении напряжения, поле разгоняет электроны, и ток увеличивается, достигая насыщения, при котором все выбитые электроны достигают анода.
Если приложить обратное напряжение, то электроны тормозятся и ток уменьшается. При так называемом запирающем напряжении фототок прекращается. Согласно закону сохранения энергии , где m- масса электрона, а υmax — максимальная скорость фотоэлектрона.
Важнейшим свойством фотоэффекта является его безынерционность,которая не может быть объяснена с точки зрения волной теории.
Первый закон
Исследуя зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами при постоянном световом потоке на один из них, он установил первый закон фотоэффекта.
Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на металл.
Т.к. сила тока определяется величиной заряда, а световой поток — энергией светового пучка, то можно сказать:
число электронов, выбиваемых за 1 с из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.
Второй закон
Изменяя условия освещения на этой же установке, А. Г. Столетов открыл второй закон фотоэффекта: кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.
Из опыта следовало, что если частоту света увеличить, то при неизменном световом потоке запирающее напряжение увеличивается, а, следовательно, увеличивается и кинетическая энергия фотоэлектронов. Таким образом, кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света.
Третий закон
Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота nmin, при которой еще возможен фотоэффект.
При n < nmin ни при какой интенсивности волны падающего на фотокатод света фотоэффект не произойдет. Т.к. , то минимальной частотесвета соответствует максимальная длина волны.
Теория фотоэффекта
А. Эйнштейн, развив идею М. Планка (1905), показал, что законы фотоэффекта могут быть объяснены при помощи квантовой теории. Явление фотоэффекта экспериментально доказывает: свет имеет прерывистую структуру. Излученная порция E=hv сохраняет свою индивидуальность и поглощается веществом только целиком.
Эйнштейн предположил: 1. Один фотон может выбить только один электрон (это верно для всех процессов с небольшой интенсивностью излучения).
2. На основании закона сохранения энергии:
— уравнение Эйнштейна.
Его смысл: 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.
Работа выхода — это характеристика материала (табличная величина). Она показывает, какую работу должен совершить электрон, чтобы преодолеть поверхностную разность потенциалов и выйти за пределы металла. Работа выхода обычно измеряется в электронвольтах (эВ).
Доказательство законов фотоэффекта
1. Число фотонов Nф равно числу электронов Nэ. Энергия света . Следовательно, .
2. Из уравнения Эйнштейна:
3. Минимальная частота света соответствует Ек=0, то или .
Фотоэффект
Фотоэффект — это явление, при котором из металлической пластины, облучаемой свет с определённой энергией, вылетают электроны.
Физика этого процесса оказалось достаточно простой. В металле всегда находятся свободные электроны, которые могут свободно перемещаться внутри металла. Когда на металл падает фотон с энергией \(E = \text
Работа выхода — это характеристика поверхности материала. Она не зависит от света, от его частоты или интенсивности.
Из закона сохранения энергия следует очень важной формулой, называемой формулой Эйнштейна для фотоэффекта. Эта формула имеет вид: \(\text = A + E\) , где: h — постоянная Планка, равная \(6,6 \bullet 10^\) [Дж·с] v — частота света [Гц] А — работа выхода [Дж] Е — кинетическая энергия [Дж] Как было сказано в начале, только фотоны с определённой энергией могут выбить электрон из металла. Дело в том, что сначала энергия тратится на совершение работы (на доставание электрона из металла) и только потом на его разгон (кинетическую энергию). Поэтому, существует какое-то предельное значение частоты света, при которой происходит фотоэффект. Это то значение частоты, при которой энергии фотона хватает только на то, чтобы вытащить электрон из металла (совершить работу выхода), при этом на кинетическую энергию энергии фотона уже не хватает.
Частота, при которой фотоэффект прекращается, называется красной границей фотоэффекта: \(hv_ красная \\ граница \\ \end> = А\) , где: h — постоянная Планка, равная \(6,6 \bullet 10^\) [Дж·с] \(v_ красная \\ граница \\ \end>\) — частота света [Гц] А — работа выхода [Дж]
Важно заметить, что может наступить ситуация, когда фотон не выбил электрон (если его частота меньше либо равна частоте красной границы). Но не может наступить ситуации, когда фотон выбивает 2 и более электронов. Даже самые энергичные фотоны могут выбивать только 1 электрон. Поэтому справедливо заметить, что Nфотонов ≥ Nэлектронов График зависимости кинетической энергии вылетающих электронов от частоты падающих фотонов
Запирающее напряжение ― это напряжение, не позволяющее электронам покинуть фотокатод.
Если напряжение в цепи больше или равно запирающему напряжению, то электроны не могут достигнуть анода: даже если они покидают ненадолго фотокатод, сила электрического поля возвращает их в металл ― и фототока в цепи нет.
Запирающее напряжение определяется выражением \(eU_ <зап>= Е_\) , где e ― заряд электрона равный \(1,6 \bullet 10^\) [Кл] \(U_<зап\ >\) ― запирающее напряжение [В] \(Е_\) ― кинетическая энергия фотоэлектрона [Дж]
Когда напряжение в цепи равно нулю \(U = 0\) , а фотокатод облучается светом достаточной энергии, чтоб создавать фотоэффект, ― в сети есть ток, его вызывают выбиваемые светом электроны. Когда напряжение в цепи равно запирающему напряжению \(U = U_<з>\) ― сила тока становится равной нулю, т. к. фототок прекращается.
Как видно из формулы, запирающее напряжение зависит только от кинетической энергии электронов, которая, в свою очередь, зависит от частоты света (но не интенсивности) и работы выхода.
Интенсивность светового потока — это количество фотонов, падающих на пластину в единицу времени.
- Чем выше интенсивность, тем выше значение фототока насыщения.
- Чем ниже интенсивность, тем ниже значение фототока насыщения.
Однако, если частота света меньше либо равна частоте красной границы, фотоэффекта не произойдет независимо от интенсивности светового потока.
При необходимости найти энергию всего светопотока, достигающего пластины за 1 с, достаточно умножить энергию одного фотона на их количество: \(\sum E = hv \bullet N_<фотонов>\) , где:
\(\sum E\) — энергия светопотока, достигшего пластину за 1 с [Дж]
h — постоянная Планка, равная 6,6 · 10 -34 [Дж · с]
\(N_\) — количество фотонов, достигающих пластину за 1 с
Запирающим (задерживающим) напряжением
Запирающим (задерживающим) напряжением называется минимальное тормозящее напряжение между анодом вакуумной лампы (фотоэлемента) и фотокатодом, при котором отсутствует ток в цепи этой лампы, т.е. фотоэлектроны не долетают до анода. При таком напряжении кинетическая энергия электронов у катода равна потенциальной энергии электронов у анода, откуда следует выражение:
,
где е — заряд электрона.
Зарисуйте необходимое с экрана в свой конспект лабораторной работы.
Методика и порядок измерений
Зацепите мышью движок реостата регулятора интенсивности облучения фотокатода и установите его на максимум.
Аналогичным образом установите нулевое напряжение между анодом и фотокатодом и минимальную длину волны ЭМИ. Наблюдайте движение электронов в фотоэлементе.
Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.
Проведение эксперимента
- Зацепив мышью, перемещайте метку на спектре, постепенно увеличивая длину волны облучения фотокатода. Добейтесь полного отсутствия фототока. Зафиксируйте самую большую длину волны (она будет равна кр), при которой фототок еще присутствует. Запишите в тетрадь значение длины волны красной границы фотоэффекта (кр).
- Для более точного определения связи запирающего напряжения с длиной волны падающего излучения применяется следующая методика. Сначала установите значение запирающего напряжения в соответствии с таблицей
- Перемещая мышью вертикальную метку на спектре, установите такое значение длины волны, при котором прекращается фототок (при визуальном наблюдении электронов вы видите, что практически все электроны долетают до анода и после этого движутся обратно к катоду). Значения и UЗАП занесите в таблицу.
- Используя длину волны красной границы фотоэффекта, вычислите значение работы выхода материала фотокатода.
- Запишите ответы и проанализируйте ответы и график.
| Материал | калий | литий | платина | рубидий | серебро | цезий | цинк |
| АВЫХ, эВ | 2.2 | 2.3 | 6.3 | 2.1 | 4.7 | 2.0 | 4.0 |
Вопросы и задания для самоконтроля
- Что такое фотоны?
- Назовите все модели электромагнитного излучения.
- Напишите формулу энергии фотона.
- Напишите формулу, связывающую энергию фотона и его массу.
- Напишите выражение энергии фотона через его импульс.
- Дайте формулировку явления внешнего фотоэффекта.
- Опишите по шагам, что происходит с фотоном, падающим на границу металла.
- Опишите по шагам, что происходит со свободным электроном металла, после его взаимодействия с фотоном.
- Опишите, что происходит с электроном, входящим в состав атома металла, после его взаимодействия с фотоном.
- Что такое работа выхода? Чья это характеристика?
- Напишите формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
- Дайте определение красной границы фотоэффекта.
- Как устроен фотоэлемент?
- Почему катод фотоэлемента называют фотокатодом?
- Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода.
- Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода ниже потенциала фотокатода?
- Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода выше потенциала фотокатода?
- Как связана кинетическая энергия электрона у катода с его потенциальной энергией а анода и почему?
Do’stlaringiz bilan baham:
Ma’lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma’muriyatiga murojaat qiling
Конспект урока: Фотоэффект
Рис. 1. Свет способен выбивать электроны с поверхности металлов
Впервые явление фотоэффекта обнаружил Г. Герц в 1887 г. при изучении явления возникновения искрового разряда между двумя заряжёнными телами. Учёный обнаружил, что при освещении тел ультрафиолетовым светом напряжение, необходимое для возникновения искры, уменьшается.
Тщательным изучением данного явления занимался русский физик А. Г. Столетов. В ходе экспериментов учёный установил, что под действием света отрицательно заряжённое тело разряжается. Оказалось, что свет способен выбивать с поверхности тел электроны, которые уносили отрицательный заряд с тела (рис. 1).
Внешний фотоэффект — это вырывание электронов с поверхности вещества под действием света.
Рис. 2. Установка для изучения явления фотоэффекта
Выбиваемые с поверхности вещества электроны называются фотоэлектронами, а сам процесс их вырывания — фотоэлектронной эмиссией.
На рисунке 2 показана схема установки для изучения законов внешнего фотоэффекта.
В стеклянном баллоне, из которого откачан воздух, расположены два электрода. Свет поступает на один из электродов, называемый фотокатодом, через кварцевое окошко, прозрачное как для видимого света, так и для ультрафиолетового излучения.
Электроды находятся под напряжением, которое можно менять. Фотокатод подсоединён к отрицательному полюсу батареи, второй электрод — к положительному.
Таким образом, между электродами образуется электрическое поле. Под действием света фотокатод испускает электроны, которые под действием электрического поля движутся к аноду.
Рис. 3. График зависимости силы фототока от напряжения
Таким образом, между электродами начинает протекать электрический ток — фототок. При недостаточной разности потенциалов между электродами не все электроны достигают второго электрода. При увеличении напряжения величина фототока возрастает до некоторого максимального значения I н , называемого током насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения значение силы тока не изменяется (рис. 3).
В ходе экспериментов было установлено, что количество вырываемых с поверхности металла электронов за 1 с прямо пропорционально поглощаемой за 1 с энергии световой волны.
Первый закон фотоэффекта : сила фототока насыщения I н при неизменной частоте падающего света прямо пропорциональна его интенсивности.
Из приведённого на рисунке 3 графика видно, что фототок наблюдается даже при нулевой разности потенциалов между электродами. Следовательно, в этом случае, несмотря на отсутствие напряжения, часть выбиваемых электронов достигает второго электрода.
Если поменять местами полюса батареи, сила фототока будет уменьшаться, так как электрическое поле будет тормозить фотоэлектроны вплоть до полной остановки и возвращать их на фотокатод. При некотором значении напряжения поток прекратится. Величина соответствующей разности потенциалов называется запирающим (задерживающим) напряжением U з .
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна работе, которую они совершают против сил электрического поля:
m e · v 2 2 = U з · q e ,
где m e [кг] — масса электрона;
v [м/с] — максимальная скорость электронов;
U з [В] — запирающее напряжение;
q e [Кл] — заряд электрона.
Экспериментально установлено, что задерживающее напряжение, а значит, и кинетическая энергия, не меняется при изменении интенсивности света, но меняется при изменении частоты падающего света.
Второй закон фотоэффекта : максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастёт с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности: m e · v 2 2 = U з · q e .
Представление о свете как об электромагнитной волне, непрерывно распределённой в пространстве, не позволяло объяснить явление фотоэффекта. Лишь в 1905 г., после того как Планк высказал предположение о дискретности света, Эйнштейн смог сформулировать законченную теорию фотоэффекта.
Световая энергия излучается порциями, квантами; вещество может поглощать энергию также только порционно. Энергия порции электромагнитного излучения, согласно Планку, равна
Таким образом, энергия фотона падающего света расходуется на совершение работы, необходимой для вырывания электрона из вещества — работы выхода A вых — и на сообщение кинетической энергии фотоэлектрону:
E = A вых + m e · v 2 2 ⇔ h · ν = A вых + m e · v 2 2 .
Согласно Эйнштейну, кинетическая энергия фотоэлектронов определяется только частотой (длиной волны) падающего света и работой выхода.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта : h · ν = A вых + m e · v 2 2 .
Работа выхода определяется видом металла и состоянием его поверхности. Понятно, что для различных веществ значение работы выхода также будет отличаться.
Чтобы вырвать электрон с поверхности вещества, необходимо, как минимум, совершить работу выхода.
Следовательно, для реализации фотоэффекта частота падающего света должна превышать некоторое минимальное значение ν m i n . Энергия фотона должна быть больше работы выхода:
h · ν m i n > A вых .
Минимально предельную частоту ν m i n называют красной границей фотоэффекта:
ν m i n = A вых h .
Третий закон фотоэффекта : фотоэффект наблюдается только в том случае, если частота падающего света больше минимального значения ν m i n , соответствующего красной границе фотоэффекта : ν m i n = A вых h .
Очевидно, что для каждого вещества существует своя красная граница фотоэффекта. Так, для цинка красной границе соответствует длина волны ультрафиолетового излучения λ m a x = 6 , 8 · 10 — 7 м . Поэтому, если поместить между цинковой пластиной и источником света стеклянную пластину, стекло будет задерживать ультрафиолетовые лучи и фотоэффект наблюдаться не будет.
Если экспериментально определить частоту падающего света, работу выхода и кинетическую энергию вылетающих с поверхности вещества электронов, то, используя уравнение h · ν = A вых + m e · v 2 2 , можно рассчитать постоянную Планка. Расчёты показывают, что полученная величина соответствует значению, найденному Планком при изучении теплового излучения. Совпадение полученных величин позволяет судить о справедливости предположения о дискретном характере электромагнитного излучения.
Три закона фотоэффекта:
1. Сила фототока насыщения I н при неизменной частоте падающего света прямо пропорциональна его интенсивности.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастёт с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности: m e · v 2 2 = U з · q e .
3. Фотоэффект наблюдается только в том случае, если частота падающего света больше минимального значения ν m i n , соответствующего красной границе фотоэффекта: ν m i n = A вых h .
Энергия фотона падающего света расходуется на совершение работы, необходимой для вырывания электрона из вещества — работы выхода A вых — и на сообщение кинетической энергии фотоэлектрону: h · ν = A вых + m e · v 2 2 .
Контрольные вопросы
1. Что такое запирающее напряжение?
2. От чего зависит работа выхода? Изменится ли данная величина при уменьшении частоты падающего света?
3. Как выглядит уравнение Эйнштейна для фотоэффекта? Объясните физический смысл величин, входящих в данную формулу.
4. Что такое красная граница фотоэффекта?