Доклад на тему: "Фотоэффект"

  • Лабораторные работы
  • docx
  • 28.04.2019
Публикация на сайте для учителей

Публикация педагогических разработок

Бесплатное участие. Свидетельство автора сразу.
Мгновенные 10 документов в портфолио.

Световые кванты. Квантовая гипотеза Планка была оценена по достоинству и получила дальнейшее развитие, прежде всего в работах Эйнштейна. Он первый указал на то, что кроме теп­лового излучения существуют и другие явления, которые мож­но объяснить на основе квантовой гипотезы. В 1905 г. Эйнштейн выдвинул гипотезу световых квантов. Он предположил, что дискретный характер присущ не только процессам испускания и поглощения света, но и самому свету. Гипотеза о корпускулярных свойствах света позволила объяс­нить результаты экспериментов по фотоэффекту, совершенно непонятные с позиций классической электромагнитной теории. Рассмотрим этот вопрос более
Иконка файла материала 00185450-f191bb68.docx
Фотоэффект     катода При света. Световые   кванты.  Квантовая   гипотеза   Планка   была   оценена   по   достоинству   и получила дальнейшее развитие, прежде всего в работах Эйнштейна. Он первый указал на то, что кроме теплового излучения существуют и другие явления, которые можно объяснить на основе квантовой гипотезы. В   1905   г.   Эйнштейн   выдвинул   гипотезу  световых   квантов.  Он   предположил,   что дискретный характер присущ не только процессам испускания и поглощения света, но и  самому  свету.  Гипотеза   о  корпускулярных  свойствах   света   позволила   объяснить результаты   экспериментов   по   фотоэффекту,   совершенно   непонятные   с   позиций классической электромагнитной теории. Рассмотрим этот вопрос более подробно. Фотоэлектрическим   эффектом,   или фотоэффектом  называют   испускание электронов   веществом   под   действием Исследование     закономерностей фотоэффекта   проводят   на   установке, схематически   показанной   на   рис.   1.1. освещении  К монохроматическим   светом   через кварцевое   окошко   (пропускающее   и ультрафиолетовые   лучи)   из   катода вырываются   фотоэлектроны,   и   в   цепи возникает   фототок,   регистрируемый гальванометром G. График зависимости от приложенного внешнего напряжения катодом   и   анодом  А  представлен   на Этот   график   называют   вольт   – характеристикой   фотоэлемента,  т.   е. прибора,   в   котором   наблюдают   фото­ Для   этой   зависимости   характерно участка тока насыщения  Iнас, когда все вырванные   светом   с   поверхности попадают на анод А, и другого участка, фототок  уменьшается    до    нуля    при внешнем   задерживающем   напряжении 1.2  V1<0). Многочисленными экспериментами были установлены три основные закономерности фотоэффекта: 1. Фототок насыщения пропорционален падающему световому потоку (при одном и том же спектральном составе). Это значит, что число электронов, вырываемых светом ежесекундно,   пропорционально   мощности   падающего   света.   Впервые   это   было установлено А.Г. Столетовым (1889). фототока  I между V  рис.   1.2. амперной того эффект. наличие электроны, катода  К, на   котором некотором V1  (на   рис.ω ω Kмакс  растет с увеличением   облучающего света (причем  2.     Для   каждого   металла   существует   максимальная   длина   волны   света   (или минимальная частота ωк), при которой еще происходит вырывание электронов. Если длина волны превышает  λk  — так называемую красную границу фотоэффекта, — то испускание фотоэлектронов отсутствует даже при достаточно большой интенсивности падающего света. Следует отметить, что при очень больших интенсивностях излучения красная граница фотоэффекта исчезает (сфокусированное лазерное излучение). 3.     Максимальная   кинетическая   энергия  К  фотоэлектронов  линейно  зависит   от частоты  ) и не зависит от интенсивности   света.   Заметим,   что   максимальное   значение   кинетической   энергии фотоэлектронов определяют по так называемой задерживающей разности потенциалов (этот   вопрос   рассмотрен   ниже   и   именно   по   этой   методике   в   данной   работе определяется постоянная Планка). С   точки   зрения   классических   волновых   представлений   сам   факт   вырывания электронов   из   металла   неудивителен,   так   как   падающая   электромагнитная   волна вызывает вынужденные колебания электронов в металле. Электрон, поглощая энергию, может   накопить   ее   в   количестве,   достаточном   для   преодоления   потенциального барьера, удерживающего электрон в металле, т. е. для совершения работы выхода. Если это так, то энергия фотоэлектронов должна зависеть от интенсивности света. Увеличение   же   интенсивности   света   приводит   лишь   к   возрастанию   числа фотоэлектронов. Более   того,   резкое   расхождение   теории   с   опытом   возникает   при   очень   малой интенсивности света. По классической волновой теории фотоэффект в этих условиях должен протекать с заметным запаздыванием, поскольку требуется конечное время для   накопления   необходимой   энергии.   Однако   опыт   показывает,   что   фотоэффект появляется   практически   мгновенно,   т.е.   одновременно   с   началом   освещения (промежуток   времени   между   началом   освещения   и   появлением   фототока   не превышает 10­9 с). Все   трудности   отпадают,   если   фотоэффект   рассматривать   на   основе   гипотезы Эйнштейна   о   световых   квантах.   В   соответствии   с   этой   гипотезой   падающее монохроматическое   излучение   рассматривается   как   поток   световых   квантов   — фотонов, энергия  ε  которых связана с частотой   простым соотношением: ω   (1.2)   h   При поглощении фотона его энергия целиком передается одному электрону. Таким образом, электрон приобретает кинетическую энергию не постепенно, а мгновенно. Этим и объясняется безынерционность фотоэффекта. Формула Эйнштейна. Полученная электроном энергия  h  частично затрачивается на освобождение   из   металла.   А   остальная   часть   переходит   в   кинетическую   энергию вылетевшего   из   металла   фотоэлектрона.   Минимальную   энергию,   необходимую   для освобождения электрона из металла, т. е. для преодоления потенциального барьера,называют  работой   выхода  А.  Следовательно,   для   фотоэлектронов   с   максимальной кинетической   энергией  Кмакс  закон   сохранения   энергии   в   элементарном   акте поглощения фотона можно записать так:       h   A K .макс   (1.3) Эта   формула   впервые   была   получена   Эйнштейном   и   носит   его   имя   —  формула Эйнштейна. Вернемся к формуле Эйнштейна  (1.3). Из нее автоматически  вытекают следующие закономерности, находящиеся в строгом согласии с опытом. 1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты падающего света и не зависит от его интенсивности. Интенсивность обусловливает только количество фотоэлектронов, но совершенно не влияет на их максимальную кинетическую энергию.  Кстати отметим, что наклон прямой на графике   как  максK   видно из формулы (1.3), т. е.   dK .макс d  h . На этом основан наш метод определения постоянной Планка. 2. Существует низкочастотная граница — порог фотоэффекта, т.е. такая частота ω0, ниже   которой   фотоэффект   отсутствует.   Эта   частота   согласно   (1.3)   соответствует равенству    , то энергии фотона не хватает, чтобы электрон мог .  Если   Ah 0  преодолеть   потенциальный   барьер   «высотой»     и   выбраться   из   металла.   На   этом A основан один из методов определения работы выхода.  Однако следует заметить, что работа выхода может быть определена экспериментально независимо от фотоэффекта, например, с помощью исследования термоэлектронной эмиссии. Эта работа зависит от ряда факторов и имеет порядок нескольких эВ. Частоте   ω0  соответствует  красная   граница   фотоэффекта,  длина   волны   которой . Наличие такой границы совершенно непонятно с волновой точки зрения. c 2  0  k Значения λк для некоторых металлов приведены в табл. 1.1: Таблица 1.1  Металл Cs  Na  Zn  Ag  Ptλк, мкм 0,60  0,53  0,33  0,28  0,20  В справочной литературе наблюдается довольно большой разброс в значениях λк для одних и тех же металлов. Поэтому к значениям  λк  в табл. 1.1 следует относиться с определенной осторожностью.