Исследовательский проект по физике "Фотоэффект"/

Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение Вышневолоцкого района «Академическая СОШ»  Исследовательский проект по физике  «Фотоэффект» Номинация «Царица наук» Выполнил: Белов Денис Романович ученик 10 класса Руководитель: Белова Татьяна Анатольевна учитель физики 2 2014­2015 учебный год Содержание Введение……………………………………………………………………….............…………3 История открытия……………………………………………………………………………….4 Теория фотоэффекта …………………….…........................................................................4­5 Наблюдение фотоэффекта ……………………………………….….....................................5­7 Исследование фотоэффекта…………………………….......................................................7­11 Применение фотоэффекта………………………..……………...…………………………11­12 Список использованной литературы……………………………………………………….....12 3 Введение Проект может быть реализован в рамках изучения темы "Кванты и атомы" в курсе  физики основной школы. Актуальность проблемы:  Открытие   фотоэффекта   имело   очень   большое   значение   для   более   глубокого понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она выясняет сложное и многообразное строение окружающего нас мира, но и в том, что она дает нам в руки   средства,   используя   которые   можно   совершенствовать   производство,   улучшать условия жизни человека. Интерес в подготовке данного исследовательского проекта вызван желанием узнать, что такое фотоэффект и какое практическое применение нашел фотоэффект в технике.  Цель:    изучить явление фотоэффекта;  объяснить закономерности фотоэффекта с позиций квантовой теории.  Задачи:       изучить теоретический материал; провести наблюдение явления фотоэффекта; проверить законы фотоэффекта с помощью виртуальных экспериментов; проанализировать результаты экспериментов. Гипотеза:  на   основе   полученных   знаний   и   проведенных   исследований   я   смогу объяснить принцип действия «видящих» автоматов, солнечных электростанций.  Методы исследования:     сбор информации; наблюдения; анализ. 4 История открытия В 1839 году Александр Беккерель наблюдал явление фотоэффекта в электролите. В 1873 году  Виллоби Смит  обнаружил, что  селен  является  фотопроводящим.  . 1873 г. ­ первые сообщения о зависимости сопротивления селена от освещения. 1875 г. ­ построение первого   селенового   фотоэлемента,   использующего   это   свойство.   1876   г.   ­   первый селеновый   фотоэлемент   с   запирающим   слоем.   1887   г.   –   открытие   Г.   Герцем   внешнего фотоэффекта, который установил, что электрический разряд между двумя проводниками происходит   значительно   сильнее,   когда   металлические   электроды   освещаются   светом, богатым   ультрафиолетом   (например,   светом   от   искры   другого   разрядника).   1888   г.   – итальянский уч. Аугусто Риги обнаружил, что проводящая пластинка, освещенная пучком ультрафиолетовых   лучей,   заряжается   положительно;   ввел   термин   фотоэлектрические явления. 1888 г. ­ А. Г. Столетовым выполнены фундаментальные работы по исследованию фотоэмиссии и сформулированы основные законы внешнего фотоэффекта. 1889 г. ­ Ф. Ленард и Дж. Дж. Томсон доказали, что при фотоэффекте испускаются электроны. 1889 г. ­ Эльстер и Гейтель построили первый вакуумный фотоэлемент с фотокатодом из сплава натрия и калия. 1905 г. ­ А. Эйнштейн объяснил основные закономерности фотоэффекта на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света, за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию.  Теория фотоэффекта А.   Эйнштейн   предположил,   что   свет   излучается   и   поглощается   определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = h , где h – постоянная   Планка.   Эйнштейн   сделал   следующий   шаг   в   развитии   квантовых представлений. Он пришел к выводу, что свет имеет прерывистую (дискретную) структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному   электрону.   Часть   этой   энергии   электрон   может   рассеять   при   столкновениях   с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается  на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода Aвых, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:  ν (mv2 2 )max =eU3 = hν ­  Aвых Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта.   Из   уравнения   Эйнштейна   следуют   линейная   зависимость   максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной   границы,   безынерционность   фотоэффекта.   Общее   число   фотоэлектронов, покидающих  за 1 с  поверхность катода, должно  быть пропорционально числу  фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока. 5 Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей   равен   отношению   постоянной зависимость   запирающего   потенциала   Uз  от   частоты   Планка h к заряду электрона e:  ν Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения   были   выполнены   в 1914 г.   Р. Милликеном   и   дали   хорошее   согласие   со значением,   найденным   Планком.   Эти   измерения   позволили   также   определить   работу выхода A:  Aвых=hνmin=hc λкр где   c   –   скорость   света,   λкр  –   длина   волны,   соответствующая   красной   границе фотоэффекта. У большинства металлов работа выхода составляет несколько электрон­ вольт   (1 эВ = 1,602∙10–19 Дж).   В  квантовой   физике   электрон­вольт   часто  используется   в качестве энергетической единицы измерения Среди   металлов   наименьшей   работой   выхода   обладают   щелочные   элементы. Например,   у   натрия   A = 1,9 эВ,   что   соответствует   красной   границе   фотоэффекта λкр ≈ 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света. Итак,   законы   фотоэффекта   свидетельствуют,   что   свет   при   испускании   и поглощении   ведет   себя   подобно   потоку   частиц,   получивших   название   фотонов   или световых квантов. Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света. Если явление сопровождается выходом электронов за пределы вещества, фотоэффект называют внешним,   если   не   сопровождается   –   внутренним.   Во   втором   случае   он   проявляется   в изменении   концентрации   электронов   и   других   носителей   зарядов   в   различных   частях вещества, изменяя его электрические и оптические свойства. Наблюдение фотоэффекта. Для   обнаружения   фотоэффекта   на   опыте   можно   использовать   электрометр   с присоединенной   к   нему   цинковой   пластиной.   На   цинковую   пластину   направим   поток ультрафиолетовых   лучей.   При     освещении   ультрафиолетовыми   лучами   отрицательно заряженной пластины наблюдается нейтрализация заряда. 6 Если   зарядить   пластину   положительно,   разрядка   электрометра   практически   не наблюдается. Результаты опытов позволяют предположить, что ультрафиолетовые лучи выбивают из металла электроны.  Если пластина заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее, и электрометр разряжается. При положительном заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому в этом случае заряд электрометра не изменяется.  Будут ли выбиваться электроны при облучении незаряженной пластины? Да будут. Но   выбиваемые   из   незаряженной   электроны   удерживаются   вблизи   ее   поверхности электрическим полем пластины, так как, теряя электроны, она заряжается положительно. Стрелка электрометра при этом не отклоняется. Поместим   на   пути   ультрафиолетовых   лучей   стекло.   Отрицательно   заряженная пластина уже не теряет электроны. 7 Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить: именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект.  Если стекло убрать, то сразу начинается фотоэффект. Исследование фотоэффекта. От чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов  и чем определяется их скорость или кинетическая энергия?  Для проведения исследования используется вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами. Через кварцевое стекло, прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения, на катод падает свет. На электроды подается напряжение, которое   можно   менять   с   помощью   потенциометра.   Ток   в   цепи   измеряется миллиамперметром. 8 Под   действием   света   катод   испускает   электроны,   которые   при   движении   в электрическом поле образуют электрический ток.  Значения фототока I при различных напряжениях U приведены в таблице. U, В I, мА ­2 0 ­1 0 ­0,5 0 0,5 1 2 2,5 3 3,5 0,045 0,277 0,573 0,804 0,98 0,99 6 0,99 9 0,999 В результате эксперимента было установлено, что при некотором напряжении сила тока   достигает   максимального   значения,   после   чего   перестает   увеличиваться. Максимальное значение силы тока называется током насыщения Iн. Сила тока насыщения определяется числом электронов, испускаемых за 1 с освещаемым электродом. Если приложить обратное напряжение, то электроны тормозятся и ток уменьшается. При   так   называемом запирающем   напряжении фототок   прекращается.   Согласно   закону сохранения   энергии   eUз=  ,   где m­   масса   электрона,   а υmax ­   максимальная mvmax 2 2 скорость фотоэлектрона. В   ходе   еще   одного   эксперименты   было   установлено,   как   зависит   сила   тока насыщения от интенсивности светового потока. Эта зависимость представлена в таблице. P, мВт 0 I, мА 0 0,2 0,2 0,5 0,5 9 1 0,7 0,699 0,999 Из таблицы видно, что при увеличении интенсивности светового потока в 2 раза сила тока насыщения также возрастает в 2 раза. Этот опыт подтверждает первый закон фотоэффекта: фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку. Проведем еще один эксперимент, в результате которого установим, как  зависит запирающее напряжение от частоты (длины) падающего света при неизменном световом потоке. Эта зависимость представлена в таблице. , нмλ 14 Гц 620 4,84 Длина волны  , 10ν Частота  Запирающее  напряжение Uз, В Строим график в координатах Uз( νв ). 600 5 0 0,1 10 540 5,56 0,3 490 6,12 0,5 440 6,82 0,8 403 7,44 1,1 Uз,В 2 1 0 4.84 5 5.56 6.12 6.82 7.44 14 Гц , 10ν U Из   графика   видно,   если   частота   увеличивается   (длина   уменьшается),   то   и запирающее   напряжение   увеличивается,   а,   следовательно,   увеличивается   кинетическая энергия   фотоэлектронов.   Таким   образом,   подтвержден   второй   закон   фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов  линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности. Красная граница фотоэффекта. Если   частота   света   меньше   определенной   для   данного   вещества   минимальной частоты νmin, то фотоэффекта не происходит. Чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы: hν > A Предельную   частоту  νmin    и   предельную   длину   волны   λmax    называют   красной границей фотоэффекта. Они выражаются так: νmin=A h            λmax=hc A Работа   выхода   зависит   от   рода   вещества,   поэтому   красная   граница   для   разных веществ   различна.   Например,   у   таких   металлов,   как   медь,   железо,   барий   и   других маленькая   длина   волны,   соответствующая   красной   границе,   поэтому   эти   металлы чувствительны только к ультрафиолетовому излучению 11 У щелочных металлов –  калия, натрия, цезия – длина волны, соответствующая красной  границе, больше, поэтому они чувствительны и к видимому излучению. Третий   закон   фотоэффекта:  для   каждого   вещества   существует   красная   граница фотоэффекта, т. е. существует максимальная длина волны λmax, при которой фотоэффект еще наблюдается. При б льших длинах волн фотоэффекта нет. Применение фотоэффекта. ό Внешний фотоэффект нашёл применение в технике ещё в первой   половине   XX   века.   Это,   конечно   же,   голос   прежде немого   кинематографа.   Фотоэлемент   позволяет   превратить звук, «сфотографированный» на киноплёнке, в слышимый. Свет обычной   лампы   проходил   через   звуковую   дорожку киноплёнки, изменялся и попадал на фотоэлемент.  Чем   больше   света   проходило   через   дорожку,   тем громче   был   звук   в   динамике.   В   неживой   природе   внешний фотоэффект   проявляется   миллионы   лет   в   планетарных 12 масштабах.   Мощное   солнечное   излучение,   воздействуя   на   атомы   и   молекулы   земной атмосферы, выбивает из них электроны, то есть ионизирует верхние слои атмосферы.  Внутренний фотоэффект в настоящее время в технике используется гораздо чаще внешнего. Например, он превращает свет в электрический ток в фотоэлементах и огромных солнечных   батареях   космических   кораблей.   Фотоэффект   «работает»   и   в   специальных светочувствительных приборах, таких как, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Благодаря  этому можно считать детали на конвейере или  производить автоматическое включение   и   выключение   различных   механизмов   (маяки,   уличное   освещение, автоматическое открывание дверей и др.). Также благодаря внутреннему фотоэффекту можно преобразовывать изображение в электрические сигналы и передавать на расстояние (телевидение).  Наиболее     крупномасштабное применение фотоэффекта  сегодня  – это уже  построенные  солнечные электростанции,   а   также   проекты   строительства   новых таких станций мощностью до нескольких сотен мегаватт. По оценкам  специалистов,  в  2020 году  до 20%  мировой электроэнергии   будет   производиться   за   счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии на Земле и в космосе.      Список использованной литературы: Физика. 11 класс. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев – М.: Просвещение, 2010 СD "Открытая физика 2.6 Часть 2", раздел Квантовая физика “Фотоэффект” Для изучения законов фотоэффекта использовалась компьютерная модель «Фотоэффект» («Открытая физика»). В ней предусмотрена возможность выбора ряда параметров: длины волны и интенсивности падающего света, величины и знака напряжения между анодом и фотокатодом.   Программа   позволяет   измерить   задерживающий   потенциал   и   определить красную границу фотоэффекта.  Интернет ресурсы: http://www.eduspb.com/node/1999 http://ru.science.wikia.com/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%8D %D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82 http://www.fizika.ru/fakultat/index.php?theme=15&id=15222 http://kaf­fiz­1586.narod.ru/11bf/uchebnik_11/32.htm 13