Презентация по теме: "Фотоэффект"

Квантовая физика

Фотоэффект

Теория фотоэффекта

Завершение классической физики

В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам:

• 1. Больше 200 лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения.
• 2. Разработана МКТ.
• 3. Подведен прочный фундамент под термодинамику.
• 4. Завершена максвелловская теория электромагнетизма.
• 5. Открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса момента импульса, массы и электрического заряда).

Физические проблемы начала XX в.

1. Устойчивость атома

• Согласно теории Максвелла движущиеся электроны вокруг ядер должны непрерывно излучать энергию и двигается по спирали к ядру.

Физические проблемы начала XX в.

2. Абсолютно черное тело –

• мысленная модель тела полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины (и излучающего все длины электромагнитных волн).

Модель абсолютно черного тела –

небольшое отверстие в замкнутой полости

Проблема сводится к изучению спектрального состава излучения абсолютно черного тела. Решить эту проблему классическая физика оказалась не в состоянии.

Физические проблемы начала XX в.

3. Ультрафиолетовая катастрофа

• По теории Максвелла максимум электромагнитного излучения в спектре солнца должен находиться в ультрафиолетовой части спектра, а он находится в видимой части.

Физические проблемы начала XX в.

4 . Холодное свечение

• По теории Максвелла видимое излучение возникает только при высоких температурах. т.е. холодного свечения не должно быть

Физические проблемы начала XX в.

5. Линейчатые спектры излучения

• Раскаленные газы дают постоянный линейчатый спектр.

Вывод

• Классическая физика не давала ответов на вопросы, что привело к созданию квантовой теории .

Гипотеза Планка (1900 г.)

• Атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами .
• Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:

h=6,63 . 10 -34 Дж . с — постоянная Планка.

= h ω

ω= 2π ν

h

постоянная Дирака или приведённая постоянная Планка.

(1 эВ - энергия, которую приобретает элементарный заряд, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В)

1эВ=1,6 ·10 Дж

-19

М. Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория теплового излучения, после чего начала развиваться современная физическая теория, называемая квантовой физикой

Повторение

1. Какие из физических явлений не смогла объяснить

классическая физика?

Макс Планк.

Великий немецкий физик – теоретик, основатель квантовой теории

строение атома, происхождение линейчатых спектров, тепловое излучение

2. Кто является основоположником

квантовой физики?

– современной

теории движения,

взаимодействия и взаимных превращений микроскопических частиц.

Повторение

3. Как атомы испускают энергию согласно

гипотезе Планка?

отдельными порциями - квантами

E = h v

4. Чему равна эта энергия?

5. Чему равна постоянная Планка?

h = 6,63 ∙ 10 -34 Дж∙с

История открытия

и исследования фотоэффекта

• Открыт в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем

• Экспериментально исследован в 1888-1890 годах русским физиком А.Г.Столетовым

• Теоретически объяснен в 1905 году Альбертом Эйнштейном

Наблюдение фотоэффекта

• Г. Герц, 1887г
• Обнаружил, что при освещении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд наступает при меньшем напряжении.
• Объяснить не мог

• Влияние излучения на электрические явления назвали фотоэлектрическим эффектом.

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

–

+

–

Фотоэффект

– это вырывание электронов с поверхности металла под действием света

Наблюдение фотоэффекта

Схема опыта Столетова, 1888г.

Количественные закономерности фотоэффекта (1888 - 1889) были установлены

Русским физиком А.Г. Столетовым

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

К

А

mA

V

25

1 закон

Законы фотоэффекта

Фототок насыщения прямопропорционален световому потоку.

I нас ~ Ф

Пока ничего удивительного нет:

чем больше энергия светового пучка, тем эффективнее его действие

Максимальное значение силы тока

называется током насыщения.

По модулю задерживающего напряжения можно судить

о скорости фотоэлектронов

и об их кинетической энергии

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

2 закон

Законы фотоэффекта

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

Ек ≠ f(Ф)

Ек = f( ν)

Чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со стороны электромагнитного поля волны, тем большая энергия должна передаваться электронам

Волновая теория

3 закон

Законы фотоэффекта

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

Е для вырывания электронов можно получить от излучения любой длины волны

Волновая теория

4 закон

Законы фотоэффекта

- фотоэффект практически безынерционен

Вырывание электрона является результатом его раскачивания в поле электромагнитной волны, на раскачку нужно время.

Волновая теория

Теория фотоэффекта

А. Эйнштейн 1905 год

Свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями - квантами

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

2

m υ

+

A

h

=

n

2

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

А - работа выхода

Е=h ν – энергия порции излучения

- кинетическая энергия электрона

2

m υ

+

A

h

=

n

2

Объяснение законов фотоэффекта

• 1. Чем больше интенсивность света, тем большие порций света падает на электрод, тем больше вырывается электронов.

Объяснение законов фотоэффекта

2.

3. 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 Wк = 0

Предельная частота фотоэффекта

Объяснение законов фотоэффекта

• 4. Порция света практически мгновенно вырывает из вещества один электрон

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.

Решение задач

Часть А – базовый уровень

1. В каком случае электроскоп, заряженный отрицательным зарядом, быстрее разрядится при освещении:

1. рентгеновским излучением;

2. ультрафиолетовым излучением?

1. 1. 2. 2. 3. Одновременно.

4. Электроскоп не разрядится в обоих случаях.

Часть А – базовый уровень

2. Как изменится скорость электронов при фотоэффекте, если увеличить частоту облучающего света, не изменяя общую мощность излучения?

1. Увеличится. 3. Уменьшится.

2 . Не изменится. 4. Ответ неоднозначен.

Часть А – базовый уровень

3. На рисунке приведены графики зависимости максимальной энергии фотоэлектронов от энергии падающих на фотокатод фотонов. В каком случае материал катода фотоэлемента имеет меньшую работу выхода?

1. I. 2. II. 3. Одинаковую. 4. Ответ неоднозначен.

Часть А – базовый уровень

4. При освещении катода вакуумного фотоэлемента потоком монохроматического света происходит освобождение фотоэлектронов. Как изменится максимальная энергия фотоэлектронов при уменьшении частоты в 2 раза?

1. Не изменится.

2. Уменьшится в 2 раза.

3. Уменьшится более чем в 2 раза.

4. Уменьшится менее чем в 2 раза.

Часть А – базовый уровень

5. Длина волны рентгеновского излучения равна 10 м. Во сколько раз энергия одного фотона этого излучения превосходит энергию фотона видимого света c длиной волны 4⋅10 м?

-10

-7

1. 25 2. 40 3. 2500 4. 4000

Часть А – базовый уровень

6. Для опытов по фотоэффекту взяли пластину из металла с работой выхода 3,4⋅10 Дж и стали освещать ее светом частоты 6⋅10 Гц. Затем частоту уменьшили в 2 раза, одновременно увеличив в 1,5 раза число фотонов, падающих на пластину за 1 с. В результате этого число фотоэлектронов, покидающих пластину за 1 с,

-19

14

1. увеличилось в 1,5 раза

3. уменьшилось в 2 раза

2. стало равным нулю

4. уменьшилось более чем в 2 раза

Часть А – повышенный уровень

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

5, 5

0,9

6, 9

14

Постоянная Планка по результатам этого эксперимента равна

-34

-34

1. 6, 6 • 10 Дж • с

3. 6, 3 • 10 Дж • с

2. 5, 7 • 10 Дж • с

4. 6, 0 • 10 Дж • с

-34

-34

Решение задачи № 1

вычитаем

еU з1

hν 1 = А +

hν 1 = А +

еU з2

hν 2 = А +

hν 2 = А +

h (v 2 – v 1 ) = е (Uз 2 – Uз 1 )

= еU з

h = 5,7 · 10 -34 Дж·с

Ответ

Часть А – повышенный уровень

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?

14

14

3. 6,1 · 10 Гц

4. 1,9 · 10 Гц

1. 1,8 · 10 Гц

2. 2,9 · 10 Гц

15

14

Обратите ВНИМАНИЕ

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

Решение задачи № 2

вычитаем

hν 1 = А +

h (v 2 – v 1 ) = е (Uз 2 – Uз 1 )

hν 2 = А +

v 2 – v 1 =

= еU з

v 2 – v 1 = 2, 9 • 10 Гц

14

Ответ

Часть А – повышенный уровень

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?

1. 133 нм

3. 400 нм

2. 300 нм

4. 1200 нм

Решение задачи № 3

Ответ

400 нм

Часть С

1. Фотон с длиной волны, соответствующей красной границе фотоэффекта, выбивает электрон из металлической пластинки (катода) сосуда, из которого откачан воздух. Электрон разгоняется однородным электрическим полем напряженностью Е  = 5·10  В/м. Какой путь пролетел в этом электрическом поле электрон, если он приобрел скорость 3·10  м/с. Релятивистские эффекты не учитывать.

4

6

Решение задачи № 1

– 4

Ответ

S  ≈ 5 · 10  м

Часть С

2. Какова максимальная скорость электронов, выбиваемых из металлической пластины светом с длиной волны λ = 3⋅10 м, если красная граница фотоэффекта λкр = 540 нм?

– 7

Решение задачи № 2

Часть С

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  .

Дети! Помните, что знание -  сила !!!

Стремитесь к своей цели...

...а если вы промахнулись, просто  используйте более мощное оружие

И вы обязательно будете вознаграждены