Фотоэффект. Подготовка к ЕГЭ

Подготовка к ЕГЭ

Учитель физики:

Фокина Елена Анатольевна

Квантовая физика

Фотоэффект

Теория фотоэффекта

Классическая физика не смогла объяснить строение атома, происхождение линейчатых спектров, тепловое излучение

Основоположником квантовой физики является

Макс Планк.

Великий немецкий физик – теоретик, основатель квантовой теории- современной теории движения, взаимодействия и взаимных превращений микроскопических частиц.

Атомы испускают энергию согласно

гипотезе Планка

отдельными порциями - квантами

E = h v

- энергия кванта

- Постоянная Планка

h = 6,63 ∙ 10 -34 Дж ∙ с

Эксперимент

№ 1. Цинковую пластину, соединенную с электроскопом, заряжают отрицательно и облучают ультрафиолетовым светом.

Она быстро разряжается.

№ 2. Если же её зарядить положительно, то заряд пластины не изменится.

Свет вырывает электроны с поверхности пластины

Вывод

Это явление было открыто немецким учёным Генрихом Герцем

в 1887 году.

Фотоэффект

– это вырывание электронов из вещества под действием света

Эксперимент

№ 3. Стеклянным экраном перекрывают источник ультрафиолетового излучения. Отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения.

Количественные закономерности фотоэффекта были установлены русским физиком А. Г. Столетовым

Почему световые волны малой частоты не могут вырывать электроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, велика сила, действующая на электрон?

Этот факт нельзя объяснить на основе волновой теории света.

Схема экспериментальной установки

Источник монохроматического света длины волны λ

Кварцевое окошко

Кварцевое окошко

Анод А

Катод K

• Стеклянный вакуумный баллон

Двойной ключ для изменения полярности

Электроизмерительные приборы для снятия вольтамперной характеристики

Потенциометр для регулирования напряжения

Источник напряжения U

Законы фотоэффекта

Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.

1 закон

Пока ничего удивительного нет:

чем больше энергия светового пучка, тем эффективнее его действие

По модулю задерживающего напряжения можно судить

Максимальное значение силы тока

называется током насыщения.

о скорости фотоэлектронов

и об их кинетической энергии

Ток насыщения определяется количеством электронов, испущенных за 1 секунду освещенным электродом.

Законы фотоэффекта

2 закон

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3 закон

Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах волн фотоэффекта нет.

Почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает электроны?

Теория фотоэффекта

А. Эйнштейн 1905 год

Свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями - квантами

Фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом до вылета электронов проходит время 10    с.

- 9   

Поглотив квант света, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает вещество.

Красная граница фотоэффекта

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта , т. е. существует наименьшая частота  min , при которой еще возможен фотоэффект.

Минимальная частота света соответствует Е к = 0

Экспериментальное определение постоянной Планка

Как следует из уравнения Эйнштейна,

тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз 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 в 1914 г. и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком.

Часть 2

1. Один из способов измерения постоянной Планка основан на определении максимальной кинетической энергии электронов при фотоэффекте с помощью измерения напряжения, задерживающего их. В таблице представлены результаты одного из первых таких опытов.

Задерживающее напряжение U , в

Частота света, v • 10 , Гц

0, 4

0,9

5, 5

6, 9

14

Постоянная Планка по результатам этого эксперимента равна

Решение задачи № 1

вычитаем

hν 1 = А +

h ( v 2 – v 1 ) = е (Uз 2 – U з 1 )

hν 2 = А +

h =

= еU з

h = 5,7 · 10 -34 Дж·с

Часть 2

2. Фотоэффект наблюдают, освещая поверхность металла светом фиксированной частоты. При этом задерживающая разность потенциалов равна U . После изменения частоты света задерживающая разность потенциалов увеличилась на Δ U = 1,2 В.

Насколько изменилась частота падающего света?

Обратите ВНИМАНИЕ

– стандартные и очень схожие задачи. Встречаются во многих вариантах ЕГЭ.

Решение задачи № 2

вычитаем

h v 1 = А +

h ( v 2 – v 1 ) = е (Uз 2 – U з 1 )

hν 2 = А +

v 2 – v 1 =

= еU з

14

v 2 – v 1 = 2, 9 • 10 Гц

Часть 2

3. Красная граница фотоэффекта исследуемого металла соответствует длине волны  кр = 600 нм. При освещении этого металла светом длиной волны  максимальная кинетическая энергия выбитых из него фотоэлектронов в 3 раза меньше энергии падающего света.

Какова длина волны  падающего света?

Решение задачи № 3

400 нм

4. Фотоэлектроны, вылетающие из металлической пластины, тормозятся электрическим полем. Пластина освещена светом, энергия фотонов которого 3 эВ. На рисунке приведен график зависимости фототока от напряжения тормозящего поля. Какова работа выхода электрона с поверхности пластины?

Ответ: 2 эВ

Решение задачи № 4

U= 1 В

Уравнение Эйнштейна

Ответ: 2 эВ

5. Слой оксида кальция облучается светом и испускает электроны. На рисунке показан график зависимости максимальной энергии фотоэлектронов от частоты падающего света. Какова работа выхода фотоэлектронов из оксида кальция? Ответ округлите до десятых .

Ответ: 2,1 эВ

Решение задачи № 2

Ответ: 2,1 эВ

Часть 2

3. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода  кр  = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны  фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U   =   1,5   В.

Определите длину волны  .

Решение задачи № 3

215 нм

Задачи с развернутым ответом

Задача №1

В вакууме находятся два кальциевых электрода, к которым подключён конденсатор. При длительном освещении катода светом с частотой 10 15 Гц фототок между электродами, возникший вначале, прекращается, а на конденсаторе появляется заряд 5,5 ∙10 -9 Кл. ’’ Красная граница’’ фотоэффекта для кальция λ 0 =450 нм. Определите электроёмкость конденсатора. Ёмкостью системы электродов пренебречь.

Задача №1

Задача №2

• В опыте по изучению фотоэффекта свет частотой ν = 6,1 · 10 14  Гц падает на поверхность катода, в результате чего в цепи возникает ток. График зависимости силы тока  I  от напряжения  U  между анодом и катодом приведён на рисунке. Какова мощность падающего света  P , если в среднем один из 20 фотонов, падающих на катод, выбивает электрон?

Задача №2

Дано:

ν =6,1∙10 14 Гц

N ф = 20 Ne

_________________________

Р - ?

q=e ∙ Ne (6) – заряд, то

Ответ: 0,1 Вт