Фотоэффект презентация к уроку

Фотоэффект

Угапьева С.В МКОУ СОШ№2 г.Нижнеудинск

1887 – 1886 г Генрих Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта

1888 – 1889 г А.Г.Столетов установил количественные закономерности фотоэффекта

1901 г Макс Планк ввел понятие о квантах света и квантах действия

1905 г А.Эйнштейн дал теорию фотоэффекта

Фотоэффектом   н азывается испускание электронов с поверхности металла под действием света.

• 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 положительный электрод, попадают на отрицательно заряженную цинковую пластину и выбивают из нее электроны, которые устремляются к сетке, создавая фототек, регистрируемый чувствительным гальванометром.

• Если зарядить цинковую пластину, присоединенную к электрометру, отрицательно и освещать ее электрической дутой (рис. 35), то электрометр быстро разрядится.
• В результате исследований были установлены следующие эмпирические закономерности:
• — количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны;
• — максимальная кинетическая энергия фото электронов линейно возрастает с частотой света и н зависит от его интенсивности.
• Кроме того, были установлены два фундаменталь ных свойства.
• Во-первых, безынерционность фотоэффекта: процесс начинается сразу в момент начала освещения.
• Во-вторых, наличие характерной для каждого металла минимальной частоты  — красной границы 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 .

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: 

• ч исло 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 n min , при которой еще возможен фотоэффект .

При   n 

• минимальной частоте света 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 N ф  равно числу электронов N э . Энергия света .

Следовательно, .

• 2. Из уравнения Эйнштейна: 

• 3. Минимальная частота света соответствует Е к =0, то   или .

Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект.

•        Внешним фотоэффектом  называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.  Внешний фотоэффект  наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

•   Внутренний фотоэффект  – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению электродвижущей силы (ЭДС).

• Вентильный фотоэффект  является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.
•        Многофотонный фотоэффект  возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

• Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Где применяется внешний фотоэффект? 1. Кино: воспроизведение звука. 2. Фототелеграф, фототелефон.

3. Фотометрия: для измерения силы света, яркости, освещенности. 4. Управление производственными процессами. Где применяется внутренний фотоэффект? Фоторезистор – устройство, сопротивление которого зависит от освещенности. Используются при автоматическом управлении электрическими цепями с помощью световых сигналов и в цепях переменного тока.

Фотореле

Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор , идет слабый ток,

Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается. Реле срабатывает, и его контакты замыкают исполнительную цепь. Ее функциями могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека, выдвигание преграды в турникете метро, автоматическое включение освещения на улицах. Фотоэлементы применяются в военном деле в самонаводящихся снарядах, для сигнализации и локации невидимыми лучами (инфракрасными).

• 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 )

• Использование вентильного фотоэффекта. Используется в солнечных батареях, которые имеют КПД 12 -16% и применяются в искусственных спутниках Земли, при получении энергии в пустыне. Принцип действия солнечной батареи: при поглощении кванта энергии полупроводником освобождается пара дополнительных носителей (электрон и дырка) , которые движутся в разных направлениях: дырка – в сторону полупроводника р-типа, а электрон в сторону полупроводников n–типа. В результате образуется в полупроводнике n–типа избыток свободных электронов, а полупроводнике р-типа- избыток дырок. Возникает разность потенциалов.

• http://www.eduspb.com/node/1999
• http://fmclass.ru/phys.php?id=485f919b28c07
• https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82