Теория фотоэффекта

«Физика — 11 класс»

Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе законов электродинамики Максвелла, согласно которым свет — это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались безрезультатными.
Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при достаточно малой длине волны свет вырывает электроны.

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идеи Планка о прерывистом испускании света.
В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что
свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.

Энергия Е каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте:

Е = hν

где
h — постоянная Планка.

Из того, что свет излучается порциями, еще не вытекает вывода о прерывистости структуры самого света.

Явление фотоэффекта показало:
свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии Е = hν сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем.
Поглотиться может только вся порция целиком.

Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии.

Уравнение Эйнштейна:

Энергия порции света hν идет на совершение работы выхода (А) и на сообщение электрону кинетической энергии.

Работа выхода (A) — это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Уравнение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта.
Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии hν в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла.
Скорость же электронов υ определяется только частотой света ν и работой выхода А, зависящей от типа металла и состояния его поверхности.
От интенсивности света скорость не зависит.

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота v света больше некоторого минимального значения vmin.
Ведь, чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А.
Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы:

hν > А

Красная границца фотоэффекта

Предельную частоту νmin и предельную длину волны λmах называют красной границей фотоэффекта.
Они выражаются так:

где
λmах(λкр) — максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается.
Это название появилось по аналогии со световыми волнами, так как максимальная длина волны видимого света соответствует красному цвету.

Работа выхода А зависит от рода вещества.
Поэтому и предельная частота vmin фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна.

Третий закон фотоэффекта

Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается.
При больших длинах волн фотоэффекта нет.

Для цинка красной границе соответствует длина волны λmах = 3,7 • 10 -7 м (ультрафиолетовое излучение).

Именно этим объясняется опыт по прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовые лучи.
Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка.
У щелочных металлов работа выхода, напротив, меньше, а длина волны λmахтах, соответствующая красной границе, больше.
Так, для натрия λmах = 6,8 • 10 -7 м.

Пользуясь уравнением Эйнштейна, можно найти постоянную Планка h.
Для этого нужно экспериментально определить частоту света ν, работу выхода А и измерить кинетическую энергию фотоэлектронов.
Подобные измерения и расчеты дают h = 6,63 • 10 -34 Дж • с.
Точно такое же значение было найдено и самим Планком при теоретическом изучении совершенно другого явления — теплового излучения.
Совпадение значений постоянной Планка, полученных различными методами, дополнительно подтверждает правильность предположения о прерывистом характере излучения и поглощения света веществом

Уравнение Эйнштейна, несмотря на его кажущуюся простоту, объясняет основные закономерности фотоэффекта.
Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за работы по теории фотоэффекта.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Световые кванты. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

class-fizika.ru

А.Г. Столетов установил три закона фотоэффекта, не утратившие своего значения и в настоящее время. В современном виде законы внешнего фотоэффекта формулируются следующим образом:

I. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света(сила тока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Ee катода).

II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны, в металле возникают колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл, – тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого электрона из металла должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, т.к. с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит II закону фотоэффекта. Т.к., по волновой теории, энергия, передаваемая электроном, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит III закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория фотоэффекта не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.

ens.tpu.ru

Фотоэффект. Теория фотоэффекта. 11-й класс

Презентация к уроку

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока:

  • сформировать у учащихся представления о фотоэффекте и изучить его законы;
  • развивать познавательную активность школьников с помощью проблемных вопросов, исторического материала;
  • сформировать понятие кванта энергии, расширить представления учащихся об области применения закона сохранения энергии;
  • сформировать умение решать задачи с использованием уравнения Эйнштейна;
  • продолжить формирование познавательного интереса к предмету.

1. Организационный момент

2. Повторение

В предыдущей главе были рассмотрены трудности, возникшие при описании движения тел с релятивистскими скоростями, и показаны пути решения этой проблемы, с которой столкнулась физика в начале ХХ века. Все это вместе создало ситуацию, которая была названа кризисом классической физики. Разрешить этот кризис удалось путем создания теории относительности и квантовой теории – двух фундаментальных теорий, возникших в начале ХХ века.

3. Введение нового материала:

1) В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления.

Опыты Г. Герца – (Слайды 4-6)

2) Для того чтобы получить о фотоэффекте более полное представление. Нужно выяснить, от чего зависит число вырванных светом электронов и чем определяется их скорость и кинетическая энергия.

Опыты А. Г. Столетова. Изучение устройства и работы установки Столетова. (Слайд 7)

3) Законы фотоэффекта, экспериментально установленные А. Г. Столетовым. (Слайды 8-10)

4) Теория фотоэффекта

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 году А. Эйнштейном, развившим идеиМ. Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных закономерностях фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.

Историческая справка

Шестнадцать лет спустя классическую простоту уравнения Эйнштейна Шведская академия наук отметила Нобелевской премией. Но в 1905 году, когда уравнение было написано впервые, на него ополчились все, даже Планк. Эйнштейн поступил так. Как будто до него вообще не существовало физики, или, по крайне мере. Как человек. Ничего не знающий об истинной природе света. Здесь сказалась замечательная особенность ума 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 увидел не досадное исключение из правил 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.

5) Красная граница фотоэффекта

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота света vсвета больше минимального значения vmin. Ведь, что бы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А.

6) Экспериментальное определение постоянной Планка. (Слайд 13)

4. Решение задач

Все задания в презентации взяты из материалов ЕГЭ по физике. Можно выбрать задачи любого уровня: в презентации присутствуют задания:

Части А – базового уровня с ответами (Слайды 14-19);
ЧастиВ – повышенного уровня с ответами и решениями (Слайды 20-25);
Части Сс ответами и решениями (Слайды 26-31).

5. Обобщение урока

  • В начале ХХ века зародилась квантовая теория – теория движения и взаимодействия элементарных частиц и состоящих из них систем.
  • Для объяснения теплового излучения М. Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами.
  • Поглощается электромагнитная энергия тоже отдельными порциями. Это подтверждает явление фотоэффекта открытого Г. Герцем и экспериментально исследованного А. Столетовым.
  • Объяснение фотоэффекта было дано А. Эйнштейном.
  • При излучении и поглощении свет проявляет корпускулярные свойства.

    • 6. Задание на дом: § 88, 89 задание № 3 Части А – повышенный уровень (Слайд 24)

    xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

    VI. Квантовая физика

    Тестирование онлайн

    Фотоэлектрический эффект

    Фотоэффектом называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества. Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны — фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.

    Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

    На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии электрона:

    Законы внешнего фотоэффекта

    Столетовым Александром Григорьевичем (1839 — 1896) экспериментально были установлены законы внешнего фотоэффекта.

    Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения — максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, — прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.

    Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

    Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

    Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля. Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

    Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

    Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового излучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

    fizmat.by

    Теория фотоэффекта законы фотоэффекта

    В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой , где — постоянная Планка, равная , — частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого и 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспириментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым.

    Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света. Если зарядить цинковую пластину, присоединенную к электрометру, отрицательно и освещать ее электрической дутой (рис. 35), то электрометр быстро разрядится.

    В результате исследований были установлены следующие эмпирические закономерности:

    — количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны;

    — максимальная кинетическая энергия фото электронов линейно возрастает с частотой света и н зависит от его интенсивности.

    Кроме того, были установлены два фундаменталь ных свойства.

    Во-первых, безынерционность фотоэффекта: процесс начинается сразу в момент начала освещения.

    Во-вторых, наличие характерной для каждого металла минимальной частоты — красной границы фотоэффекта. Эта частота такова, что при фотоэффект не происходит при любой энергии света а если \nu_ ‘ alt=’ \nu > \nu_ ‘ align=absmiddle>, то фотоэффект начинается даже при малой энергии.

    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 энергии . При вылете из металла энергия каждого электро на уменьшается на определенную величину, котору называют работой выхода ( ). Работа выхода это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Поэтому максимальная кинетическая энергия электронов после вылета (если нет других потерь) равна: . Следовательно,

    .

    Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

    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, и которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

    С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

    fmclass.ru