2-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

5. Волновая и квантовая оптика

УРОК 15/73

Тема. Фотоэффект

Цель урока: разъяснить ученикам явление фотоэффекта и содержание его законов.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Законы фотоэффекта

Фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем, однако первые экспериментальные исследования были выполнены русским ученым А. Г. Столєтовим.

Ø Явление взаимодействия света с веществом, сопровождающееся испусканием электронов, называют фотоэффектом.

Различают внешний фотоэффект, при котором фотоелектрони вылетают за пределы тела, и внутренний фотоэффект, при котором электроны, вырванные светом из атомов, остаются внутри вещества.

Многочисленные эксперименты и наблюдения позволили сделать вывод: явление фотоэффекта практически безінерційне; интенсивность фотоэффекта зависит от рода металла, величины светового потока и спектрального состава излучения.

Законы фотоэффекта были экспериментально установлены профессором Московского университета А. Г. Столєтовим:

1). Число фотоэлектронов, которые ежесекундно вырываются с поверхности металла, прямо пропорционально интенсивности света.

2). Максимальная начальная скорость фотоэлектронов увеличивается в случае увеличения частоты света, что падает, и не зависит от интенсивности света.

3). Для каждого вещества существует максимальная длина световой волны (красная граница фотоэффекта), при которой начинается фотоэффект. Облучение вещества световыми волнами большей длины фотоэффекта не вызывает.

Если первый закон фотоэффект еще можно было объяснить, используя классическую электромагнитную теорию света, то следующие два закона прямо противоречили представлениям, которые существовали в то время. Понадобилось более 20 лет, чтобы разгадать эту загадку.

2. Объяснение фотоэффекта с помощью волновой теории света

Полученные опытным путем законы фотоэффекта не удалось объяснить на основе электромагнитной волновой теории света. С точки зрения этой теории электромагнитная волна, достигнув поверхности металла, вызывает вынужденные колебания электронов, отрывая их от металла. Но тогда нужно время для «раскачки» электронов, и при малой освещенности металла должно возникнуть заметное запаздывание между началом освещения и моментом вылета электронов, а фотоэффект практически безинерционный.

Кроме того, кинетическая энергия электронов, покидающих металл, должна зависеть от амплитуды змушувальнои силы, а значит, и от напряженности электрического поля в электромагнитной волне.

3. Квантовое объяснение фотоэффекта

в 1905 году Альберт Эйнштейн предложил теорию, которая давала пояснения сразу всей совокупности экспериментальных фактов о фотоэффект. Развив и углубив идеи Планка, Эйнштейн пришел к выводу, что свет должен не только излучаться и поглощаться, но также и распространяться в виде отдельных порций энергии - квантов электромагнитного поля. Эти кванты иначе называют фотонами.

Эйнштейн считал, что при взаимодействии с веществом фотон ведет себя подобно частицы и передает свою энергию веществу в целом и даже не атом, а только отдельным электронам. Только металл поглотит фотон, энергия последнего E = hv передается свободному электрону. Она тратится на освобождение электрона из металла - на работу выхода и на передачи ему кинетической энергии. При этом энергия фотона передается электрону в металле только полностью, а сам фотон перестает существовать.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: где hv - энергия поглощенного фотона; A - работа выхода электрона из металла; - кинетическая энергия, с которой электрон покидает поверхность металла.

Уравнение Эйнштейна можно рассматривать как выражение закона сохранения энергии для единичного акта взаимодействия фотона с электроном. Оно позволяет объяснить все законы фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотона может быть выражена так:

а его скорость:

Отсюда следует, что максимальная кинетическая энергия фотоелектрона, а, следовательно, и его максимальная начальная скорость зависят от частоты света и не зависят от интенсивности света.

При равенстве hv = A скорость фотоелектрона и кинетическая энергия равны нулю. В этом случае электрон как бы «выпадает» из металла с нулевой скоростью. Наблюдаем порог фотоэффекта:

Интенсивность света прямо пропорциональна числу фотонов nф и энергии каждого из них hv. Каждого фотона целиком поглощает только один электрон. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов, а следовательно, и фототок насыщения пропорционален nф , т.е. интенсивности света (первый закон фотоэффекта).

4. Применение фотоэффекта

Явление фотоэффекта широко применяют в науке и технике: оно позволяет осуществить непосредственное преобразование энергии света в электрическую энергию. Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. В фотоэлементах энергия света управляет энергией электрического тока или превращается в нее.

Фотоэлементы используют для считывания информации (изображения, звука или данных с оптических дисков (компакт-дисков), которые являются сегодня одной из самых распространенных форм записи и хранения информации.

Важным применением фотоэлементов является использование их для изготовления солнечных батарей на космических кораблях. Солнечные батареи используют сегодня и как источник электрического тока в жарких местностях: такую батарею размещают на крыше дома, а электроэнергия, которую она дает, питает кондиционеры, которые охлаждают помещение. Таким образом, солнечная энергия, когда ее оказывается в избытке, сама же помогает ослабить нежелательные последствия этого избытка.

Применение фотоэффекта в технике: кино (воспроизведение звука); фототелеграф; фотометрия (для измерения силы света, яркости, освещенности); управления производственными процессами.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Чем отличается внешний фотоэффект от внутреннего фотоэффекта?

2. Какие факты свидетельствуют о наличии у света корпускулярных свойств?

3. Какие факты свидетельствуют о наличии у света волновых свойств?

Второй уровень

1. Какие законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света?

2. Почему, согласно классической электродинамике, волны должны были бы отобрать у частиц всю энергию теплового движения?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Почему за частот, меньших от красной границы, фотоэффект не наблюдается?

2. Почему для разных веществ красная граница фотоэффекта имеет разные значения?

3. В чем разногласия фотоэффекта в полупроводниках и металлах?

2). Учимся решать задачи

1. Работа выхода электронов из калия равна 3,55 · 10-19 Дж. Определите длину волны красной границы фотоэффекта.

2. Цинковая пластинка освещается монохроматическим светом длиной волны 300 нм. Какого максимального потенциала приобретает пластина? Красная граница фотоэффекта для цинка равна 332 нм.

3. Работа выхода электронов из калия равна 2,25 эв. С какой скоростью вылетают электроны с калия, если его освещали монохроматическим светом длиной волны 365 нм?

4. Какой наименьшей напряжением полностью удерживаются электроны, вырванные ультрафиолетовыми лучами длиной волны 0,1 мкм с вольфрамовой пластинки? Работа выхода для вольфрама 4,5 эв.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Явление взаимодействия света с веществом, сопровождающееся испусканием электронов, называют фотоэффектом.

• Законы фотоэффекта:

1. Число фотоэлектронов, которые ежесекундно вырываются с поверхности металла, прямо пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов увеличивается в случае увеличения частоты падающего света и не зависит от интенсивности света.

3. Для каждого вещества существует максимальная длина световой волны (красная граница фотоэффекта), при которой начинается фотоэффект. Облучение вещества световыми волнами большей длины фотоэффекта не вызывает.

• Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

Домашнее задание

1. Подр-1: § 48; подр-2: § 23 (п. 1, 2).

2. Сб.:

Рів1 № 15.3; 15.5; 15.11; 15.13.

Рів2 № 15.16; 15.18; 15.19; 15.20.

Рів3 № 15.32, 15.33; 15.34; 15.35.