Фотоэффект. Законы фотоэффекта.Фотоны.

ФОТОЭФФЕКТ

Фотоэффект возникает при взаимодействии вещества с поглощаемым электромагнитным излучением .

• внешний 

• внутренний

• явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

• явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе, а следовательно, и увеличения электропроводности вещества под действием света.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888—1890 гг. А. Г. Столетовым.

НАБЛЮДЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА

Для обнаружения фотоэффекта на опыте можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной. Если зарядить пластину положительно, то ее освещение, например электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро.

ЧТО ПРОИСХОДИТ

• Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если пластина заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее, и электрометр разряжается. При положительном же заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра в этом случае не изменяется.

• Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить: именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект . Этот простой факт нельзя объяснить на основе волновой теории света.

Законы фотоэффекта

• Встеклянный баллон, из которого выкачан воздух, помещаются два электрода. Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через кварцевое окошко, прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром.

• Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток. При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода. Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока возрастает. При некотором напряжении она достигает максимального значения, после чего перестает увеличиваться. Максимальное значение силы тока Iн называется током насыщения. Сила тока насыщения определяется числом электронов, испускаемых за 1 с освещаемым электродом. Изменяя в этом опыте интенсивность излучения, удалось установить, что число электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

Первый закон фотоэффекта

Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку Ф.

• Сила фототока отлична от нуля и при нулевом напряжении. Это означает, что часть вырванных светом электронов достигает правого электрода и при отсутствии напряжения.
• Если изменить полярность батареи, то сила тока уменьшится, и при некотором напряжении U3 обратной полярности она станет равной нулю. То есть электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод. Задерживающее напряжение U3 зависит от максимальной кинетической энергии, которую имеют вырванные светом электроны .

Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической энергии, можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов:

Второй закон фотоэффекта

• Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности.
• Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты νmin, то фотоэффекта не происходит.

ТРЕТИЙ ЗАКОН ФОТОЭФФЕКТА

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

Четвертый Закон фотоэффекта

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

секунды

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.

Уравнение Эйнштейна

• 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:

Его смысл:  энергия кванта тратится на работу выхода электрона из металла и сообщение электрону кинетической энергии.

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 N ф  равно числу электронов N э .
• Энергия света

Доказательство законов фотоэффекта

•   Из уравнения Эйнштейна

Доказательство законов фотоэффекта

• Минимальная частота света соответствует Ек=0, то

ПРименение

• Внешний фотоэффект нашёл применение в технике ещё в первой половине XX века. Это, конечно же, голос прежде немого кинематографа. Фотоэлемент позволяет превратить звук, «сфотографированный» на киноплёнке, в слышимый. Свет обычной лампы проходил через звуковую дорожку киноплёнки, изменялся и попадал на фотоэлемент (см. фото). Чем больше света проходило через дорожку, тем громче был звук в динамике. В неживой природе внешний фотоэффект проявляется миллионы лет в планетарных масштабах. Мощное солнечное излучение, воздействуя на атомы и молекулы земной атмосферы, выбивает из них электроны, то есть ионизирует верхние слои атмосферы.

• Внутренний фотоэффект в настоящее время в технике используется гораздо чаще внешнего. Например, он превращает свет в электрический ток в фотоэлементах и огромных солнечных батареях космических кораблей. Фотоэффект «работает» и в специальных светочувствительных приборах, таких как, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Благодаря этому можно считать детали на конвейере или производить автоматическое включение и выключение различных механизмов (маяки, уличное освещение, автоматическое открывание дверей и др.). Также благодаря внутреннему фотоэффекту можно преобразовывать изображение в электрические сигналы и передавать на расстояние (телевидение).

ФОТОНЫ

Фотон – элементарная частица, квант электромагнитного излучения.

• Энергия фотона: ε = hv, где h = 6,626 · 10 -34  Дж·с – постоянная Планка.
• Масса фотона: m = h·v/c 2 . Эта формула получается из формул

ε = hv и ε = m·c 2 . Масса, определяемая формулой m = h·v/c 2 , является массой движущегося фотона. Фотон не имеет массы покоя (m 0  = 0), так как он не может существовать в состоянии покоя.

• Импульс фотона: Все фотоны движутся со скоростью с = 3·10 8  м/с. Очевидно импульс фотона P = m·c, откуда следует, что
• P = h·v/c = h/λ.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ

• Явление испускания электронов веществом под действием света, называется…
• Число электронов, вырываемых светом с поверхности вещества за 1с, прямо пропорционально…
• Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с … и не зависит от …
• Для каждого вещества существует наименьшая частота света, при которой еще возможен фотоэффект. Эта частота называется…
• Работа, которую нужно совершить для вырывания электронов с поверхности вещества, называется…
• Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (формулировка)… 

ЗАКРЕПЛЕНИЕ

• Задача 1. Какова наименьшая частота света, при которой еще наблюдается фотоэффект, если работа выхода электрона из металла 3,3*10 -19  Дж?
• Задача 2.Определите максимальную скорость фотоэлектронов, если фототок прекращается при задерживающей разности потенциалов 1В (заряд электрона – 1,6*10 -19 Кл; масса электрона -9,1*10 -31 кг)