Фотоэффект - Световые кванты - Квантовая физика

Цель: рассмотреть явление фотоэффекта и выяснить основные его законы.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение

- Как изменится частота измерения, если энергию кванта увеличить в 2 раза?

- Какие из физических явлений не смогла объяснить классическая физика?

- Как испускают энергию атомы согласно гипотезе Планка?

- Как излучает энергию нагретое тело согласно теории Максвелла?

- Все ли тела излучают энергию?

- Запишите формулу энергии М. Планка?

- Чему равна постоянная Планка?

III. Изучение нового материала

Эксперимент 1

Цинковая пластинка соединена с электродом и освещается электрической дугой без стеклянной оптики. Цинковую пластину заряжают один раз отрицательным зарядом, а другой раз потенциально. В первом случае электрометр разряжается, во втором - нет.

Опыт с отрицательно заряженной цинковой пластинкой повторяют. Но пучок света перекрывают непрозрачным экраном, а затем убирают, эффект обнаруживается при освещении практически сразу (через 10^-9 с).

Эксперимент с отрицательно заряженными пластинками других металлов. По времени разряда электрометра до нуля делают вывод о скорости разряда пластин.

Эксперимент 2

Повторяют опыт с отрицательно амальгамированной пластинкой, установленной один раз на расстоянии 1 м от источника света, а другой - на расстоянии вдвое меньше. Скорость разряда электрометра увеличивается.

Эксперимент с отрицательно заряженными пластинками цинка и меди. Экраном из органического стекла перекрывают источник ультрафиолетового излучения. На цинке фотоэффект есть, на меди - нет.

Выводы: фотоэффект состоит из вырывания электронов из поверхности металла при его освещении. Электрическое поле отрицательно заряженной пластинки металла способствует уносу эмитированных электронов с поверхности металла, а электрическое поле положительно заряженной пластинки возвращает электроны в металл. Данное явление практически безинерционно. Интенсивность фотоэффекта зависит от рода металла, величины светового потока и спектрального состава излучения.

Влияние знака электрического заряда пластинки на фотоэлектрон

Волновая теория

Освобождение электронов с поверхности металла не является механическим эффектом. При падении электромагнитной волны на поверхность металла переменное электрическое поле вызывает колебания свободных электронов в металлах: их кинетическая энергия возрастает. При большой интенсивности электромагнитного излучения, а значит, напряженности Е электрического поля, кинетическая энергия электрона может достичь величины, достаточной для того, чтобы преодолеть силы притяжения к металлу и покинуть его. Однако опыты показывают, что фотоэффект наступает даже при малых интенсивностях света. Это не может быть объяснено на основе волновой теории.

Квантовая картина

При поглощении фотона энергия фотона E = hv передается свободному электрону. Она расходуется на освобождение электрона из металла - на работу выхода и на сообщении ему кинетической энергии.

При этом энергия фотона передается электрону в металле только целиком, а сам фотон перестает существовать.

Сегодня внешним фотоэффектом мы называем явление, когда под действием электромагнитного излучения вещество испускает электроны. Начало этому открытию было положено еще в 1887 г., когда Генрих Герц, занимаясь опытами с электромагнитными волнами, заметил, что если осветить цинковую пластину ультрафиолетовым светом, то она зарядится.

Количественная закономерность фотоэффекта была установлена А. Г. Столетовым.

Первый закон

Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на металл:

где v - коэффициент пропорциональности, называемый фоточувствительностью вещества.

Следовательно, число электронов, выбиваемых за 1 с из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

Второй закон

Изменяя условия освещенности А. Г. Столетов установил, что кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.

Если к освещенному электроду подключить положительный полюс батареи, то при некотором напряжении фототок прекращается. Это явление не зависит от величины светового потока. Используя закон сохранения энергии:

где е - заряд; m - масса электрона; v - скорость электрона; U₃ - запирающее напряжение, - устанавливают, что если частоту лучей, которыми облучают электрод, увеличить, то поэтому

Следовательно, v₂ > v₁.

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 v_min, при которой еще возможен фотоэффект.

При v < v_min - ни при какой интенсивности волны падающего света на фотокатод фотоэффект не произойдет.

Четвертый закон

Фотоэффект практически безинерционен.

Теория фотоэффекта

А. Эйнштейн, развив идею Планка (1905 г.), показал, что законы фотоэффекта могут быть объяснены при помощи квантовой теории.

Явление фотоэффекта экспериментально доказывает, что свет имеет прерывистую структуру.

Излученная порция Е = hv сохраняет свою индивидуальность и поглощается веществом только целиком. На основании закона сохранения энергии:

Так как то:

Шестнадцать лет спустя классическую простоту уравнения Эйнштейна Шведская академия наук отметила Нобелевской премией. Но в 1905 г. когда уравнение было написано впервые, на него ополчились все, даже Планк.

А. Эйнштейн поступил так, как будто до него вообще не существовало физики, или, по крайней мере, как человек, ничего не знающий об истинной природе света. Здесь сказалась замечательная особенность Эйнштейна: в совершенстве владея логикой, он больше доверял интуиции и фактам, причем случайных фактов в физике для него не существовало. Поэтому в явлении фотоэффекта он видел не досадное исключение из правил волновой оптики, а сигнал природы о существовании еще неизвестных, но глубоких законов. Так уж случилось, что исторически сначала были изучены волновые свойства света. Только в явлении фотоэффекта физики впервые столкнулись с его корпускулярными свойствами. У большинства из них инерция мышления была настолько велика, что они отказывались верить.

IV. Закрепление изученного материала

- В чем состоит явление фотоэффекта?

- Когда и кем было открыто явление фотоэффекта?

- Нарисуйте схему установки опыта Герца и объясните, в чем суть опыта.

- Объясните опыты А. Г. Столетова.

- Объясните законы фотоэффекта с точки зрения квантовой теории света.

- Напишите формулу Эйнштейна для фотоэффекта и объясните ее физическую суть.

- Каково условие существования фотоэффекта?

- Что называют красной границей фотоэффекта?

- Запишите формулу для красной границы фотоэффекта.

V. Решение задач

Задача № 1

Определить наибольшую длину волны света, при которой может происходить фотоэффект для пластины.

Задача № 2

Определить наибольшую скорость электрона, вылетевшего из цезия, при освещении его светом с частотой 7,5 · 10¹⁴ Гц.

Задача № 3

Наибольшая длина волны света, при которой происходит фотоэффект для вольфрама, 0,275 мкм.

Найти:

1) работу выхода электронов из вольфрама;

2) наибольшую скорость электронов, вырываемых из вольфрама светом длиной волны 0,18 мкм;

3) наибольшую энергию этих элементов.

VI. Подведение итогов урока

Домашнее задание

п. 88, 89.

Р -1103; Р - 1005.

Дополнительный материал

Первые опыты по исследованию фотоэффекта А. Г. Столетов Начал 20 февраля 1888 г., исследования продолжались практически непрерывно до 21 июня 1889 г.

В опытах использовался гальванометр с ценой деления 6,7 «на 10 в минус 10-й степени» А. С помощью специального магнита чувствительность гальванометра увеличивалась, цена деления составляла 2,7 «на 10 в минус 10-й степени» А. Источники тока применялись различные, иногда опыт проводился без источника тока.

А. Г. Столетов назвал два диска (сплошной и в виде сетки) сетчатым конденсатором. Сплошной диск освещался с той стороны, где накапливался электрический заряд, а сетка освещалась со стороны, где зарядов практически не было. Это позволяло наилучшим образом исследовать «разряжающее» действие световых лучей.

Размеры дисков подбирались так, чтобы при небольшом расстоянии от электрической дуги (примерно 20 см) сплошной диск полностью освещался от отверстия, окружавшего лампу, диаметром 10 см. Расстояние от диска до лампы подбиралось так, чтобы не было сильного нагрева диска.

С чувствительным гальванометром А. Г. Столетов обнаружил ток в цепи сплошного диска и сетки даже при очень маленьких значениях напряжения между ними, но при непременном условии, что к освещаемому диску был присоединен отрицательный полюс батареи гальванических элементов, а к сетке - положительный. При малых напряжениях ток возникал при близком расположении электродов (диска и сетки), при более высоких напряжениях ток был заметен даже при расстояниях больше 10 см.

Если освещаемый диск соединялся с положительным полюсом батареи, а сетка с отрицательным, электрический ток в цепи отсутствовал. А. Г. Столетов назвал это свойство наблюдаемого явления - нечувствительности положительных зарядов к световым лучам - униполярностью «актиноэлектрического действия» (именно так называл А. Г. Столетов явление, которое он исследовал).

А. Г. Столетов обнаружил, что на протекание явления существенным образом влияет состояние поверхности металлического диска. Даже плохо окисляемые на воздухе металлы (никель, серебро, платина) давали слабые токи, если их поверхность не зачищалась непосредственно перед проведением эксперимента (хотя на взгляд они выглядели вполне чистыми). Очень трудно, практически невозможно было наблюдать явление с дисками, поверхности которых давно не зачищались или из легко окисляемых металлов, например, цинка. Даже малейший слой окисла существенно влиял на ход явления.

Столетов установил, что источником тока должна была быть именно дуговая лампа - электрическая дуга. С другими источниками света опыт не получался.

В опытах Столетова было выявлено, что действие света - электрический ток - зависит от того, насколько интенсивно освещается электрод. Как писал сам Столетов: «...действие (сила тока) пропорционально напряженности освещения или, лучше сказать, количеству активных лучей».

В опытах применялось и прерывистое освещение диска с помощью картонного круга с семью окошками по секторам (окошки и промежутки между ними были одинаковы по ширине). Картонный круг приводился во вращение с различной скоростью - от одного до одиннадцати оборотов в секунду. Измерения силы тока при таком освещении показали прямую пропорциональную зависимость силы тока от световой энергии, падающей на металлический диск.

Этот опыт с прерывистым освещением дал еще один очень важный результат. Электрический ток обнаруживался даже если диск освещался очень маленьких промежуток времени - около 1/150 с при самой большой скорости вращения диска. Однако Столетов понимал, что эти результаты не могут дать окончательного ответа на вопрос, обладает ли излучение, вызывающее электрический ток, прерывистыми или непрерывными свойствами.

Удивительно, как со столь несложными с точки зрения современной науки установками А. Г. Столетову удалось обнаружить даже безинерционность фотоэффекта. Это было очень нелегко! А. Г. Столетов сделал вывод о том, что электрический ток возникает практически мгновенно после освещения диска, с помощью хитроумных приспособлений, позволявших очень быстро менять освещенность диска и одновременно очень быстро замыкать и размыкать цепь гальванометра. При этом оказалось, что при всех доступных в опытах скоростях прерывания светового потока и электрической цепи пропорциональность силы тока и энергии света не нарушалась. Столетов сделал вывод о том, что электрический ток «устанавливается мгновенно и в каждый момент соответствует силе освещения».