Фотоэффект
Также известный как "внешний фотоэффект" — испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений
Коротко
Что такое фотоэффект?
Фотоэффект - это явление наблюдаемое преимущественно при освещении металлических поверхностей.
1. фотон света передает свою энергию электрону металла
2. электрон покидает вещество, становясь фотоэлектроном
3. движение фотоэлектронов называется фототоком
Эксперименты по изучению фотоэффекта доказали квантовую природу света
Наибольшую роль в изучении явления сыграли российский физик Столетов и Эйнштейн, предоставивший общепринятое теоретическое объяснение в 1905 году, за что награжден Нобелевской премией
1. фотон света передает свою энергию электрону металла
2. электрон покидает вещество, становясь фотоэлектроном
3. движение фотоэлектронов называется фототоком
Эксперименты по изучению фотоэффекта доказали квантовую природу света
Наибольшую роль в изучении явления сыграли российский физик Столетов и Эйнштейн, предоставивший общепринятое теоретическое объяснение в 1905 году, за что награжден Нобелевской премией
Схема фотоэффекта
Основы
Что УЖЕ нужно знать
1. Гипотеза Планка
Энергия фотона прямопропорциональна частоте света
2. Волновое уравнение для электромагнитного излучения
Связь длины волны, частоты и ее скорости
3. Спектр волн
Порядок расстановки видов излучения на осях частоты, энергии и длины волны
4. Мощность света
Энергия, переносимая квантами света в единицу времени
5. Импульс и кинетическая энергия классических частиц
6. Работа электрического поля при перемещении заряда
Изменение энергии частиц при прохождении разности потенциалов (ускоряющей или тормозящей)
Тест
Восстанови необходимые знания
Выполни элементарные задания хотя бы на 80% и тогда приступай к чтению урока
| НАЧАТЬ ТЕСТ |
Формула для импульса электрона
| Следующий вопрос |
| Проверить |
| Узнать результат |
You are homebody
Probably you are don't like to travel or just don't know geography very well
| Решить заново |
You are beginner traveler
Probably you are like to travel and know geography well enough
| Решить заново |
You are real traveler
You are like to travel and know geography well
| Решить заново |
Видеоурок
ЕГЭ по физике. Фотоэффект
Как это работает?
Схема эксперимента
В экспериментах использовался диод - стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена.
Один из электродов, называемый катодом через окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ. По наличию тока судили о достижении электронами противоположного электрода - анода
Один из электродов, называемый катодом через окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ. По наличию тока судили о достижении электронами противоположного электрода - анода
Желтым цветом обозначен источник света, синим - фотоэлектроны
Затем к электродам прикладывалось некоторое напряжение, полярность которого можно было изменять.
В первой схеме напряжение, создаваемое источником помогало фотоэлектронам попадать на анод. Такое напряжение будем называть положительным.
В первой схеме напряжение, создаваемое источником помогало фотоэлектронам попадать на анод. Такое напряжение будем называть положительным.
Такая полярность источника создает поле, помогающее электронам достигать анода
Изменяя напряжение источника и измеряя ток в цепи, можно построить вольт-амперную характеристику (ВАХ) диода и изобразить ее на графике.
Измерения показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях фототок достигает своего предела (насыщения), так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода.
Измерения показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях фототок достигает своего предела (насыщения), так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода.
Вольт-амперная характеристика для положительных напряжений источника
Теперь в эксперименте будем варьировать интенсивность света — делать источник ярче или тусклее, не меняя частоты света.
Тщательные измерения показывают, что ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света.
Эти наблюдения приводят к появлению первого закона фотоэффекта
Тщательные измерения показывают, что ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света.
Эти наблюдения приводят к появлению первого закона фотоэффекта
Пример: падение интенсивности света в два раза приводит к пропорциональному уменьшению тока
1 закон фотоэффекта
«Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения»
«Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения»
О чем это:
★ чем больше фотонов падает на поверхность металла в единицу времени, тем больше фотоэлектронов появляется
★ если увеличить мощность\интенсивность света в 2 раза, то число фотоэлектронов, выделяющихся за 1 секунду станет в 2 раза больше, а значит в 2 раза увеличится и фототок
★ один фотоэлектрон получает дополнительную энергию только от одного фотона (но бывает и по-другому, что описывается в факультативном разделе)
★ чем больше фотонов падает на поверхность металла в единицу времени, тем больше фотоэлектронов появляется
★ если увеличить мощность\интенсивность света в 2 раза, то число фотоэлектронов, выделяющихся за 1 секунду станет в 2 раза больше, а значит в 2 раза увеличится и фототок
★ один фотоэлектрон получает дополнительную энергию только от одного фотона (но бывает и по-другому, что описывается в факультативном разделе)
Во втором эксперименте полярность источника менялась.
Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны, устанавливая энергетический порог.
Работа поля при перемещении электрона через разность потенциалов равна по модулю |eU|.
Значит, анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает эту работу.
Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны, устанавливая энергетический порог.
Работа поля при перемещении электрона через разность потенциалов равна по модулю |eU|.
Значит, анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает эту работу.
При определенном напряжении фототок прекращается. Такое напряжение называется запирающим или задерживающим.
Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекращается, что можно изобразить на ВАХ.
Измеряя |Uз|, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов
Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекращается, что можно изобразить на ВАХ.
Измеряя |Uз|, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов
К удивлению ученых, величина Uз оказалась независящей от интенсивности падающего светового потока.
Раньше казалось, что чем ярче свет, тем больше энергии должен получать электрон. Но нет, в очередной раз восторжествовала квантовая природа света и идея о том, что каждый фотоэлектрон получает энергию только от одного фотона
Раньше казалось, что чем ярче свет, тем больше энергии должен получать электрон. Но нет, в очередной раз восторжествовала квантовая природа света и идея о том, что каждый фотоэлектрон получает энергию только от одного фотона
Ожидаемое влияние на запирающее напряжение оказывала частота света
Заменим оранжевый свет на фиолетовый, фотоны которого обладают большей частотой и энергией, но не будем менять количество фотонов в единицу времени
В таком случае фотоны будут давать электронам больше энергии, а значит увеличится кинетическая энергия и запирающее напряжение.
Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света
Заменим оранжевый свет на фиолетовый, фотоны которого обладают большей частотой и энергией, но не будем менять количество фотонов в единицу времени
В таком случае фотоны будут давать электронам больше энергии, а значит увеличится кинетическая энергия и запирающее напряжение.
Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света
2 закон фотоэффекта
«Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности»
«Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности»
О чем это:
★ чем больше частота света, тем больше энергия каждого отдельного фотона (прямое следствие гипотезы Планка)
★ чем больше энергия фотона, тем больше энергии получает фотоэлектрон (закон сохранения энергии)
★ чем больше энергии у фотоэлектрона, тем быстрее он двигается, покидая вещество
Эти соображения воплотились в уравнении Эйнштейна:
★ чем больше частота света, тем больше энергия каждого отдельного фотона (прямое следствие гипотезы Планка)
★ чем больше энергия фотона, тем больше энергии получает фотоэлектрон (закон сохранения энергии)
★ чем больше энергии у фотоэлектрона, тем быстрее он двигается, покидая вещество
Эти соображения воплотились в уравнении Эйнштейна:
Закон фотоэффекта Эйнштейна, объединивший в себе идеи о квантовой природе света и закон сохранения энергии
Примеры задач с разбором
А что будет происходить, если уменьшить частоту света?
Заменим оранжевый свет на красный, обладающий меньшей частотой и энергией
Оказывается, что при этом явление фотоэффекта может и вовсе прекратиться
Заменим оранжевый свет на красный, обладающий меньшей частотой и энергией
Оказывается, что при этом явление фотоэффекта может и вовсе прекратиться
3 закон фотоэффекта
«Для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называются красной границей фотоэффекта»
«Для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называются красной границей фотоэффекта»
О чем это:
★ электрон должен дать "энергетическую взятку" материалу за свой выход, называемую работой выхода
★ работа выхода состоит из энергии, расходуемой на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона
★ если дополнительной энергии достаточно, то электрон покидает вещество, становясь фотоэлектроном (внешний фотоэффект)
★ если дополнительной энергии фотона недостаточно, то электрон не покидает пределы вещества (внутренний фотоэффект, не рассматриваемый в школьной программе, описывается в факультативном разделе)
★ только свет, обладающий достаточно высокой частотой, способен выбить электроны их материала
★ фотоны красного света обладают наименьшей энергией среди видимого спектра и поэтому дают название "красной границе фотоэффекта"
На границе фотоэффекта фотонам едва хватает энергии на совершение работы выхода. Поэтому для применение уравнение Эйнштейна выглядит так:
★ электрон должен дать "энергетическую взятку" материалу за свой выход, называемую работой выхода
★ работа выхода состоит из энергии, расходуемой на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона
★ если дополнительной энергии достаточно, то электрон покидает вещество, становясь фотоэлектроном (внешний фотоэффект)
★ если дополнительной энергии фотона недостаточно, то электрон не покидает пределы вещества (внутренний фотоэффект, не рассматриваемый в школьной программе, описывается в факультативном разделе)
★ только свет, обладающий достаточно высокой частотой, способен выбить электроны их материала
★ фотоны красного света обладают наименьшей энергией среди видимого спектра и поэтому дают название "красной границе фотоэффекта"
На границе фотоэффекта фотонам едва хватает энергии на совершение работы выхода. Поэтому для применение уравнение Эйнштейна выглядит так:
На границе фотоэффекта энергии на движение электрона не остается
Примеры задач с разбором
Ну и, наконец, выключим свет в нашей установке
Оказывается, что при этом явление фотоэффекта мгновенно прекращается, что приводит к появлению последнего закона:
Оказывается, что при этом явление фотоэффекта мгновенно прекращается, что приводит к появлению последнего закона:
4 закон фотоэффекта
«Фотоэффект обладает свойством практической безынерционности»
«Фотоэффект обладает свойством практической безынерционности»
О чем это:
★ фотоэлектроны получают свою энергию только от фотонов
★ если выключить свет, то фототок мгновенно прекратится
★ фотоэлектроны получают свою энергию только от фотонов
★ если выключить свет, то фототок мгновенно прекратится
История открытий
Можешь пропустить этот блок и двинуться дальше, но не рекомендую =)
1839
Александр Беккерель наблюдал фотовольтаический эффект в электролите — в веществе под влиянием света может идти ток.
1873
Уиллоуби Смит обнаружил, что селен является фотопроводящим. — селен становится проводником, если на него светить светом
1887
Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем. Изучая прохождение искры между цинковыми пластинами он заметил, что если посветить ультрафиолетом на цинковые пластины, то прохождение разряда заметно облегчается.
1888—1890
Фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов, опубликовавший 6 работ. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта.
Ещё Столетов вплотную подошёл к выводу о существовании красной границы фотоэффекта.
Ещё Столетов вплотную подошёл к выводу о существовании красной границы фотоэффекта.
1891
Эльстер и Гейтель при изучении щелочных металлов пришли к выводу, что, чем выше электроположительность металла, тем ниже граничная частота, при которой он становится фоточувствительным. Иначе говоря, работа выхода зависит от рода вещества и связана с его химическими свойствами.
1898
Томсон экспериментально установил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами)
1900—1902
Исследования фотоэффекта Филиппом Ленардом показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.
1905
Альберт Эйнштейн объясняет фотоэффект при помощи своего уравнения
1906—1915
В эти годы фотоэффект изучал Милликен. Он смог установить точную зависимость запирающего напряжения от частоты (действительно оказавшуюся линейной) и на его основании смог вычислить постоянную Планка.
1921
Благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию
1923
Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики «за работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта».
«Я потратил десять лет моей жизни на проверку этого эйнштейновского уравнения 1905 г., и вопреки всем моим ожиданиям я вынужден был в 1915 г. безоговорочно признать, что оно экспериментально подтверждено, несмотря на его несуразность, так как казалось, что оно противоречит всему, что мы знаем об интерференции света».
Роберт Милликен
Проверь свои знания
Эти навыки должны быть выработаны у тебя по итогу этого урока
Если можешь сказать "Да!" каждому из пунктов ниже, то тема освоена
Если можешь сказать "Да!" каждому из пунктов ниже, то тема освоена
1
Умею применять для описания фотоэффекта уравнение Эйнштейна
Для нахождения энергии и скорости фотоэлектрона
Применение для красной границы фотоэффекта
Применение для красной границы фотоэффекта
2
Умею изображать вольт-амперную характеристику для диода при фотоэффекте
Зависимость фототока от приложенного к вакуумному диоду внешнего напряжения
3
Понимаю, как изменение различных факторов влияют на протекание фотоэффекта
Влияние изменения:
* интенсивности и мощности света
* материала фотокатода
* длины и частоты световой волны
* задерживающей или ускоряющей разности потенциалов на диоде
* интенсивности и мощности света
* материала фотокатода
* длины и частоты световой волны
* задерживающей или ускоряющей разности потенциалов на диоде
Домашка
Easy-peasy
- [ ] Ищем энергию в электрон-вольтах и выполняем перевод
- [ ] Сопоставляем графики и зависимости
Домашка
Задачи посложнее
- [ ] Красная граница фотоэффекта
- [ ] Запирающее напряжение
- [ ] Скорость или импульс фотоэлектрона
Домашка
Для преисполнившихся в познании
[ ] Фотоэлектроны попадают в магнитное поле
- [ ] Частичный фотоэффект
- [ ] Фотоэффект и уровни энергии в атоме
- [ ] Многофотонный фотоэффект
Как тебе урок?
