Какие свойства света проявляются в явлении фотоэффекта
Квантовые свойства света
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия Е каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h — коэффициент пропорциональности — постоянная Планка, v— частота света. Опытным путем вычислили h = 6,63·10-34 Дж·с. Гипотеза M.Планка объяснила многие явления, а именно, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Г. Герцем. Далее фотоэффект изучил экспериментально русский ученый Столетов.
Фотоэффект и его законы
схема опыта Столетова
Фотоэффект — это вырывание электронов из вещества под действием света.
В результате исследований было установлено 3 закона фотоэффекта:
1. Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растает с частотой света и зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах фотоэффекта нет.
Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Она зависит от типа металла и состояния его поверхности. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид:
— это уравнение Эйнштейна.
Если hv < Авых , то фотоэффекта не происходит. Предельную частоту vmin и предельную длину волны λmax называют красной границей фотоэффекта. Она выражается так: vmin =A/h , λmax= λкр = hc/A, где λmax ( λкр ) – максимальная длина волны , при которой фотоэффект еще наблюдается. Красная граница фотоэффекта для разных веществ различна, т.к. А зависит от рода вещества.
Применение фотоэффекта в технике.
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.
Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. На этом явлении (внутреннего фотоэффекта) основано устройство фоторезисторов. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в часах, микрокалькуляторах. Полупроводниковые фотоэлементы используются в солнечных батареях на космических кораблях, в первых автомобилях.
В демонстрационной модели рассматривается явление фотоэффекта.
Экспериментальное исследование фотоэффекта проведено Столетовым. Он предложил удобную измерительную схему, принцип которой сохранился до настоящего времени. Внутрь баллона, в котором создан вакуум, помещаются два электрода: фотокатод К, изготовленный из исследуемого материала, и анод. Свет направляется на фотокатод через кварцевое окно. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта (так называемые фотоэлектроны), перемещаются под действием электрического поля к аноду. Появление тока в цепи регистрируется гальванометром Г, напряжение между фотокатодом и анодом изменяется потенциометром П, а измеряется вольтметром V.
Источник
Занятие №19
Фотоэффект и корпускулярные свойства света. Применение фотоэффекта в технике.
КВАНТ СВЕТА (фотон) – порция энергии электромагнитного излучения, элементарная частица, являющаяся порцией электромагнитного излучения, переносчик электромагнитного взаимодействия. Термин, используемый для описания света как потока нейтральных частиц, проявляющих и волновые свойства в ряде экспериментов.
ФОТОН – это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения (в узком смысле – света). Является истинно нейтральной частицей (т. е. не обладает никакими зарядами). Распространяется всегда с фундаментальной скоростью, равной 3×108 метра в секунду.
КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ – это универсальное свойство природы, заключающееся в том, что в поведении микрообъектов проявляются и корпускулярные, и волновые черты. Было установлено, что свет для объяснения закономерностей фотоэффекта приходится считать потоком частиц, а для электронов и протонов можно наблюдать интерференцию и дифракцию.
Поскольку у фотона нет массы покоя, то он не подчиняется законам Ньютона. В частности, его нельзя ни ускорить, ни замедлить и никакие силы на него не действуют.
Энергия фотона.
Е – энергия фотона (Дж); h – постоянная Планка 6,63 . 10-34 Дж . с; ν – частота света (Гц).
Импульс фотона.
р – импульс фотона (кг . м/с); h – постоянная Планка 6,63 . 10-34 Дж. с; ν – частота света (Гц); с – скорость света в вакууме (м/с); λ – длина волны (м).
Масса фотона.
Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света.
Законы фотоэффекта.
1-й закон ( Закон Столетова): количество электронов, выбиваемых светом заданной длины волны с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света;
2-й закон: максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности;
3-й закон: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая минимальная частота света (или максимальная длина волны), при которой еще возможен фотоэффект, и если частота света меньше этого критического значения, то фотоэффекта уже не происходит.
Формула Эйнштейна для фотоэффекта.
h – постоянная Планка; ν – частота (Гц); Авых – работа выхода электронов (Дж); m- масса электрона (кг); – скорость электрона (м/с).
Красная граница (порог) фотоэффекта.
Применение фотоэффекта.
С помощью фотоэффекта «заговорило» кино и стала возможной передача движущихся изображений (телевидение).
Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без всякого участия человека изготавливают детали по заданным чертежам.
Основанные на фотоэффекте приборы вовремя включают и выключают маяки и уличное освещение, и т. п.
Автомат в метро выдвигает перегородку при пересечении светового пучка, если предварительно не опущен жетон.
На заводах фотоэлементы мгновенно останавливают пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне, и т. д.
Действие солнечных элементов (СЭ) основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта.
Задача №1. Найдите работу выхода электрона из металла, если фотоэффект начинается при частоте падающего светаГц.
Задача №2. Длина волны, соответствующая красной границе (порогу) фотоэффекта для бромистого серебра, равна 0,6 мкм. Определите работу выхода электронов из бромистого серебра.
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 15.1. Решить задачу: № 000. Найти красную границу фотоэффекта для калия.
Занятие №20
Радиоактивность. Биологическое действие излучения. Состав атомных ядер. Дефект массы. Энергия связи ядер.
Радиоактивность. Явление самопроизвольного испускания химическими элементами излучения, обладающего значительной проникающей способностью и ионизирующими свойствами, получило название естественной радиоактивности. Элементы, испускающие такое излучение называются радиоактивными. Радиоактивными являются все элементы с порядковым номером более 83 в таблице Менделеева.(Z >83).
Закон радиоактивного распада. Каждый радиоактивный элемент можно охарактеризовать промежутком времени Т, в течение которого распадается половина ядер, имевшихся в момент начала отсчета времени. Период полураспада – основная константа радиоактивного элемента. Период полураспада характеризует скорость распада. Например: радий 88Ra226 имеет период полураспада Т=1600 лет; торий 90Th,64 часа; полоний 84Po212 -3·10-7 сек.
Т – период полураспада (время, в течении которого распадается половина наличного числа атомов); N0- число радиоактивных атомов в начальный момент времени; N- число нераспавшихся атомов; t – промежуток времени.
Распад любого атомного ядра – это, так сказать, не «смерть от старости», а «несчастный случай» в его жизни. Для радиоактивных атомов (точнее, ядер) не существует понятия возраста. Можно определить только среднее время жизни.
Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями. АЛЬФА-ЧАСТИЦА (a-частица) – ядро атома гелия. БЕТА-ЧАСТИЦА – испускаемый при бета-распаде электрон. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ – (гамма – кванты) коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны меньше 2×10–10 м.
Основным процессом, объясняющим биологическое действие излучения, является растрата поглощённой энергии на разрыв химических связей с образованием высокоактивных в химическом отношении соединений, так называемых свободных радикалов.
Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза.
Использование ионизирующего излучения: для ускорения химических реакций; «меченые атомы»; для выведения высокоактивных штаммов пенициллина; для выведения новых сортов растений.
Протон (от греч. первый, основной)– это положительно заряженная элементарная частица, имеющая массу, превышающую массу электрона в 1836 раз; ядро атома водорода. Протон (наряду с нейтроном) является одним из нуклонов и входит в состав атомных ядер всех химических элементов.
НЕЙТРОН – это электрически нейтральная частица, имеющая массу, в 1839 раз превышающую массу электрона. Свободный нейтрон – нестабильная частица, распадающаяся на протон и электрон.
НУКЛОНЫ – это общее наименование для протонов и нейтронов – частиц, из которых построены атомные ядра.
МАССОВОЕ ЧИСЛО – это число нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Массовое число равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента. 11Na23, 26Fe55, 13Al27.
СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – это одно из четырех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, частным проявлением которого являются ядерные силы.
ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНОГО ЯДРА – это минимальная энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. При образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение энергии ядра, что сопровождается уменьшением массы, т. е. масса ядра должна быть меньше суммы масс отдельных нуклонов, образующих это ядро. Мя< Zmp+ Nmn
Не считая самых лёгких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон.
ДЕФЕКТ МАССЫ: ∆ М= Zmp+ Nmn – Мя
Задача №1. Сколько электронов содержится в электронной оболочке нейтрального атома, в ядре которого содержится 16 протонов и 15 нейтронов.
Задача №2. Сколько протонов Z и сколько нейтронов N в ядре изотопа кислорода 8О17?
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 17.1. Решить задачу: № 000. Каков состав изотопов неона 10Ne20, 10Ne21 и 10Ne22 ?
Атомный реактор.
Первый ядерный реактор построен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1. Она была запущена 25 декабря 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова. 26 декабря 1946 года в СССР запущен первый атомный реактор «Ф-1» («Физический первый»), главным конструктором которого был Николай Доллежаль.
Первая в мире промышленная атомная электростанция мощностью 5 МВт была запущена 27 июня 1954 года в СССР, в городе Обнинск, расположенном в Калужской области.
Ядерный реактор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии.
Схематическое устройство реактора на тепловых нейтронах
1 — управляющий стержень; 2 — биологическая защита; 3 — теплоизоляция; 4 — замедлитель; 5 — ядерное топливо; 6 — теплоноситель.
Домашнее задание. Учить конспект. Читать §17.3 (п.6).
.
Источник
В 1887 году Г. Герцем был открыт фотоэлектрический эффект, а продолжить его исследования довелось А.Г. Столетову. Ф. Леонард в 1900 году серьезно занялся данным проектом. К тому времени был открыт электрон. Это говорило о том, что фотоэффект состоял в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.
Данное исследование законов Столетова изображено на рисунке 5.2.1.
Рисунок 5.2.1. Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта.
В лабораторных условиях применили стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами с очищенной поверхностью. К ним прикладывали напряжение U с возможностью изменения полярности с помощью ключа. Катод освещали монохроматическим светом с длиной волны λ через кварцевое окошко. Так как световой поток оставался неизменным, то зависимость силы тока I от напряжения ослабевала. Рисунок 5.2.2. наглядно демонстрирует кривые зависимости при интенсивном свете, попадающем на катод.
Рисунок 5.2.2. Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 – токи насыщения, Uз – запирающий потенциал.
По графику видно, что при подаче большого напряжения фототок анода А достигает насыщения, потому как при вырывании светом из катода они в состоянии достичь его.
Ток насыщения. Закономерности фотоэффекта
Определение 1
Ток насыщения Iнпрямо пропорционален интенсивности падающего света.
При наличии отрицательного напряжения на аноде, электрическое поле, находящееся между катодом и анодом, тормозится электронами. К аноду могут добраться электроны, у которых кинетическая энергия превышает значение |eU|. При наличии напряжения меньше, чем –Uз, происходит прекращение фототока. После измерения –Uзопределяется максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов:
mυ22max=eU3.
Из формулы видно, что оно не зависит от интенсивности падающего света. После глубоких исследований стало ясно, что при возрастании запирающего потенциала происходит линейное увеличение частоты света ν.
Рисунок 5.2.3. Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света.
Определение 2
После многочисленных экспериментов были установлены закономерности формул фотоэффекта:
- При увеличении частоты света ν происходит возрастание кинетической энергии, независящей от ее интенсивности.
- Наименьшей частотой νminс внешним фотоэффектом называют красную границу фотоэффекта каждого вещества.
- Количество фотоэлектронов за 1 с вырывания из катода прямо пропорционально интенсивности света.
- Фотоэффект возникает после освещения катода с условием, что ν>νmin.
Данные закономерности не соответствовали представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Исходя из волновых представлений, взаимодействие световой волны с электроном должно действовать по принципу постепенного накапливания энергии. Чтобы он смог вылететь из катода, необходимо иметь достаточное количество энергии, накапливаемой за определенный промежуток времени, не зависящий от интенсивности света.
Появление фотоэлектронов происходит сразу после освещения катода. Данная модель не давала четкого представления нахождения красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла дать объяснение независимости энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока и пропорциональности максимальной кинетической энергии частоты света. Поэтому электромагнитная теория была не способна объяснить эти изменения.
В 1905 году А. Эйнштейн дает теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта, основываясь на гипотезе М. Планка.
Постоянная Планка. Уравнение Эйнштейна
Определение 3
Излучение и поглощение света происходит определенными порциями, где она определяется формулой E=hν, h принято называть постоянной Планка.
Основной шаг в развитии квантовых представлений относится к Эйнштейну:
Определение 4
Свет обладает прерывистой структурой. Электромагнитная волна состоит из порций, называемых, кварками, спустя время которые зафиксировали как фотоны.
После взаимодействия с веществом фотон передает свою энергию hν одному электрону, одна часть которой рассеивается при столкновениях с атомами, а другая затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл-вакуум. Для этого ему необходимо совершить работу выхода А, зависящую от свойств материала катода.
Определение 5
Наибольшую кинетическую энергию, вылетевшую из катода фотоэлектроном, определяют законом сохранения энергии:
mν22max=eUe=hν-A.
Формула получила название уравнения Эйнштейна для фотоэффекта.
Благодаря ему, закономерности внешнего явления фотоэффекта могут быть объяснены.
Линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта следуют из данного выражения.
Определение 6
Общее количество фотоэлектронов, которые покидают поверхность катода в течение 1 с, пропорционально числу фотонов, падающих на поверхность. Можно сделать вывод, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.
Определение 7
По уравнению фотоэффекта Эйнштейна тангенс угла наклона прямой, выражающий зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν, равняется отношению постоянной Планка h к заряду электрона e:
tg α=he.
Формула позволяет вычислить значение постоянной Планка.
Определение 8
Р. Милликенн проводил измерения в 1914 году, после чего смог определить работу выхода А:
A=hνmin=hcλкр,
где c – скорость света, λкр– длина волны, которая соответствует красной границе фотоэффекта.
Большинство металлов имеет работу выхода А и составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10–19 Дж).
Определение 9
Квантовая физика использует электрон-вольт как энергетическую единицу измерения. Тогда значение постоянной Планка равняется
h=4,136·10-15 эВ·с.
Наименьшая работа выхода наблюдается у щелочных элементов. Натрий при A=1,9 эВ соответствует красной границе фотоэффекта λкр≈680 нм. Такие соединения применяют для создания катодов в фотоэлементах, используемых для регистрации видимого света.
Определение 10
Законы фотоэффекта говорят о том, что при пропускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц, называемых фотонами или световыми квантами.
Определение 11
Энергия фотонов записывается в виде формулы E=hν.
Определение 12
При движении в вакууме фотон обладает скоростью с, а его масса m=0. Общее соотношение теории относительности, связывающее энергию, импульс и массу любой частицы, записывается как E2=m2c4+p2c2.
Отсюда следует, что фотон обладает импульсом, значит:
p=Ec=hνc.
Можно сделать вывод, что учение о свете вернулось к представлениям о световых частицах – корпускулах. Но это не расценивается как возврат к корпускулярной теории Ньютона. В XX было известно о двойственной природе света. Когда он распространялся, то проявлялись его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), при его взаимодействии с веществом – корпускулярные, то есть явление фотоэффекта. Это и получило название корпускулярно-волнового дуализма.
Спустя время, данная теория была подтверждена у других элементарных частиц. Классическая физика не дает наглядную модель сочетаний волновых и корпускулярных свойств микрообъектов. Их движениями управляют законы квантовой механики. В основе этой науки лежит теория абсолютно черного тела, доказанная М. Планком, и квантовая, предложенная Эйнштейном.
Рисунок 5.2.4. Модель фотоэффекта
Источник