Презентация "Квантовая физика. Фотоэффект"

Глава 11

Световые кванты

Раздел

Квантовая физика

11

класс

)

ФИЗИКА

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 изучения

В 1839 году французский физик Александр Беккерель

наблюдал явление фотоэффекта в электролите.

В 1873 году английский инженер-электрик

Уиллоуби Смит обнаружил, что селен является

фотопроводящим.

Затем эффект изучался в 1887 году Генрихом Герцем . Чтобы лучше видеть искру в своих опытах, Герц поместил приёмник в затемнённую коробку. При этом он заметил, что в коробке длина искры в приёмнике становится меньше. Тогда Герц стал экспериментировать в этом направлении, в частности, он исследовал зависимость длины искры в случае, когда между передатчиком и приёмником помещается экран из различных материалов. Полученные результаты явились открытием нового явления в физике, названного фотоэффектом.

1888-1890 годах фотоэффект

систематически изучал русский физик

Александр Столетов . Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта.

Противоречие электродинамики Максвелла и классической механики

Создание Эйнштейном СТО и ОТО

Противоречие электродинамики Максвелла и опытным фактам излучения веществом коротких ЭМВ (начиная с инфракрасного):

Из теории Максвелла

Из опытов по излучению

Теория Максвелла: главное условие излучения ЭМВ – ускоренное движение заряда. Нагретое тело должно непрерывно излучать (ионы кристаллической решетки колеблются) и охладиться до абсолютного нуля, чего не происходит на практике

Планк Макс (1858—1947) —

великий немецкий физик-теоретик, основатель квантовой теории – современной теории движения, взаимодействия и взаимных превращений микроскопических частиц. В 1900 г. в работе по исследованию теплового излучения предположил, что энергия осциллятора (системы, совершающей гармонические колебания) принимает дискретные значения, пропорциональные частоте колебаний, энергия излучается отдельными порциями. Большой вклад внес в развитие термодинамики.

энергия кванта

постоянная Планка

Впервые квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света

Видеоролик «Наблюдение фотоэффекта»

Опыт нельзя объяснить на основе волновой теории света: почему волны малой частоты не могут вырвать электроны даже при большой интенсивности освещения?

Вывод: с поверхности цинка электроны вырывает ультрафиолетовый свет, так как его частота больше, а значит и больше энергия каждого кванта

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым.

Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон).

1. От чего зависит число вырванных светом электронов (фотоэлектронов)?

2. Чем определяется скорость (кинетическая энергия) этих фотоэлектронов?

Принцип работы установки

1. Без освещения светом катода тока в цепи нет, т.к. нет носителей заряда.

2. При освещении светом катода возникает фототок даже при отсутствии разности потенциалов.

3. При некотором напряжении возникает фототок насыщения.

4. При увеличении интенсивности излучения фототок насыщения увеличивается.

Демонстрация первого закона фотоэффекта с помощью интерактивной модели

Изменим полярность батареи

1. При увеличении обратного напряжения сила тока уменьшается.

2. При некотором напряжении (задерживающем) сила тока становится равной нулю.

3. Вывод: электрическое поле тормозит вырванные светом электроны и возвращает их на электрод.

4. По теореме об изменении кинетической энергии

взаимосвязь кинетической энергии фотоэлектронов с задерживающим напряжением

5. При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не изменяется.

6. Кинетическая энергия фотоэлектронов зависит только от частоты света.

Демонстрация второго закона фотоэффекта с помощью интерактивной модели

Фотоэффект не происходит при определенной минимальной частоте для данного вещества.

Демонстрация третьего закона фотоэффекта с помощью интерактивной модели

В 1905 году Эйнштейн объяснил фотоэффект на основе квантовой гипотезы Планка:

излученная порция световой энергии поглощается целиком.

Формула Эйнштейна для фотоэффекта

Физический смысл уравнения Эйнштейна для фотоэффекта:

энергия кванта света расходуется на работу по вырыванию электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии

Исследования фотоэффекта были одними из самых первых

Квантово-механических исследований.

Исследования фотоэффекта показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности

облучения.

Видеоролик «Красная граница фотоэффекта»

Работа выходов электронов

Единица измерения работы:

Видеоролик для повторения «Опыты Столетова»

Задача 1.

Работа выхода для цинка 3,74 эВ.

Переведите в джоули.

Задача 2.

Определите красную границу фотоэффекта для цинка через частоту и длину волны падающего света.

Задача 3.

Используя данные таблицы «Работа выхода электронов» и опытов с цинковой пластиной, проанализируйте наблюдение фотоэффекта для разных металлов при освещении их светом разного цвета.

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией)

называется испускание электронов веществом под действием

электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при

внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами , а электрический

ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем

электрическом поле, называется фототоком .

Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмитирующий

электроны под действием этого излучения.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного

излучения называют спектральной

характеристикой фотокатода.

Внутренний фотоэффект

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение

электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких

полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений.

Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и

приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного

фотоэффекта .

Фотон

Фото́н  — элементарная частица, квант электромагнитного излучения

(в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная

существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд

фотона также равен нулю. Фотону как квантовой частице свойственен

корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства

частицы и волны. В физике фотоны обозначаются буквой γ. Фотон —

самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один

нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.

Применение фотоэффекта

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление

фотоэффекта, называют фотоэлементами.

Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют в

электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения.

Поэтому в качестве источников электроэнергии их не используют, зато

широко применяют в различных схемах автоматики для управления

электрическими цепями с помощью световых пучков.

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука,

записанного на кинопленке а также передача движущихся изображений

(телевидение).

На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического

преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования

изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления

яркости изображений. В медицине ЭОП применяют для усиления яркости

рентгеновского изображения, это позволяет значительно уменьшить дозу

облучения человека.

На фотоэффекте основано превращение светового сигнала в

электрический. Электрическое сопротивление полупроводника падает при

освещении; это используется для устройства фотосопротивлений . При

освещении области контакта различных полупроводников возникает фото-

эдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую.

Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое

излучение, вплоть до отдельных квантов.

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

2. стало равным нулю

3. уменьшилось в 2 раза

4. уменьшилось более чем в 2 раза

Часть А – повышенный уровень

7. 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

-34

-34

1. 6, 6 • 10 Дж • с

2. 5, 7 • 10 Дж • с

3. 6, 3 • 10 Дж • с

4. 6, 0 • 10 Дж • с

-34

-34

Решение задачи № 7

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 А – повышенный уровень

8. 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

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

вычитаем

hν 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 А – повышенный уровень

9. 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

2. 300 нм

3. 400 нм

4. 1200 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

ОК-31, с.256-257 и §87, 88;

подготовиться к семинарскому занятию.

Мякишев Г.Я. Физика. 10 кл.

Диск «1С:Школа. Физика, 7-11 классы. Библиотека наглядных пособий. Интерактивные модели».

Электронные ресурсы Интернета.