Энергия кванта света расходуется на работу по вырыванию электрона и сообщение ему кинетической

Обновлено: 05.07.2024

Исходя из гипотезы Планка о квантах, Эйнштейн в 1905 г. предложил квантовую теорию фотоэффекта. В отличие от Планка, который считал, что свет излучается квантами, Эйнштейн предположил, что свет не только излучается, но и распространяется, и поглощается отдельными неделимыми порциями - квантами Кванты представляют собой частицы с нулевой массой покоя, которые движутся в вакууме со скоростью м/с. Эти частицы получили название фотонов. Энергия квантов Е = hv.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально числу поглощенных фотонов, т.е. пропорционально интенсивности света.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить законы фотоэффекта. Из него следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни А, ни ν от интенсивности света не зависят (1-й закон фотоэффекта). Выражая кинетическую энергию электрона через работу задерживающего поля можно записать уравнение Эйнштейна в виде

Из уравнения (4) следует, что

Это соотношение совпадает с экспериментальной закономерностью, выраженной формулой (2).

Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А = const), то при некоторой достаточно малой частоте кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (2-й закон фотоэффекта). Согласно изложенному, из (3) получим

Это и есть "красная граница"фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишьот работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности.

Выражение (3), используя (17) и (6), можно записать в виде

Так же естественно объясняется пропорциональность тока насыщения I_Н мощности падающего света. С возрастанием общей мощности светового потока W возрастает число отдельных порций энергии hv, а следовательно, и число п вырываемых в единицу времени электронов. Так как I_Н пропорционально п, то тем самым объясняется и пропорциональность тока насыщения I_Н мощности света W.

Если интенсивность очень большая (лазерные пучки), то возможен многофотонный (нелинейный) фотоэффект, при котором фотоэлектрон одновременно получает энергию не одного, а нескольких фотонов. Многофотонный фотоэффект описывается уравнением

где N - число вступивших в процесс фотонов. Соответственно "красная граница" многофотонного фотоэффекта

Следует отметить, что лишь малое число фотонов передает свою энергию электронам и участвует в фотоэффекте. Энергия большинства фотонов затрачивается на нагревание вещества, поглощающего свет. Применение фотоэффекта

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, которые получили широкое применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы - приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.

Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой баллон, из которого выкачан воздух, внутренняя поверхность (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем и является фотокатодом. В качестве анода обычно используются кольцо (рис. 10) или сетка, помещаемые в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи, ЭДС которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения.

Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра: для регистрации видимого света и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света - сурьмяно-цезиевый. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например, экспонометров и люксметров для измерения освещенности. Для увеличения интегральной чувствительности вакуумных фотоэлементов баллон заполняют инертным газом Аr или Nе при давлении 1,3 ÷ 13 Па). Фототок в таком газонаполненном элементе усиливается вследствие ударной ионизации молекул газа фотоэлектронами. Самые разные объективные оптические измерения немыслимы в наше время без применения фотоэлементов. Современная фотометрия, спектроскопия и спектрофотометрия, спектральный анализ вещества проводятся с применением фотоэлементов. Широко используются фотоэлементы в технике: контроль, управление, автоматизация производственных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в звуковом кино, в разнообразных системах связи от передачи изображения и телевидения до оптической связи на лазерах и космической техники представляют собой далеко не полный перечень областей применения фотоэлементов для решения разнообразных технических вопросов в современной промышленности и связи.

3. Как изменится кинетическая энергия фотоэлектронов при фотоэффекте, если увеличить частоту падающего на металл света, не изменяя общую мощность излучения:
а) уменьшится
б) не изменится
в) увеличится +

4. В каком случае электрометр, заряженный отрицательным зарядом, быстрее разрядится при освещении:
1. инфракрасным излучением
2. ультрафиолетовым излучением
а) только 2 +
б) только 1
в) оба случая

5. Как изменится частота красной границы фотоэффекта, если шарику радиуса R сообщить положительный заряд:
а) уменьшится
б) не изменится
в) увеличится +

6. Может ли свободный электрон, находящийся в проводнике, полностью поглотить фотон:
а) нет
б) да +
в) нет однозначного ответа

7. Световой поток, падающий на фотокатод, увеличили в 2 раза. Как при этом изменилась сила тока насыщения фотоэлемента, если длина волны света, падающего на катод фотоэлемента, осталась прежней:
а) увеличилась в 2 раза
б) уменьшилась в 2 раза
в) увеличилась в 2 раза +

8. Чему равна работа выхода электронов для материала шарика, если при непрерывном облучении его фотонами с энергией, превышающей в 4 раза работу выхода, установившейся на шарике потенциал равен φ = 1,5 В:
а) 1 эВ
б) 1,5 эВ
в) 10 эВ

9. Для опытов по фотоэффекту взяли пластину из металла с работой выхода 3,4⋅10–19 Дж и стали освещать ее светом частоты 6⋅1014 Гц. Затем частоту уменьшили в 2 раза, одновременно увеличив в 1,5 раза число фотонов, падающих на пластину за 1 с. В результате этого число фотоэлектронов, покидающих пластину за 1 с:
а) увеличилось в 1,5 раза
б) уменьшилось в 2 раза
в) стало равным нулю +

10. Длина волны красного света почти в 2 раза больше чем фиолетового. Энергия фотона красного света по отношению к энергии фотона фиолетового света:
а) меньше в 4 раза
б) меньше в 2 раза +
в) больше в 2 раза

11. Фотоэффект – это явление:
а) вырывания электронов из вещества под действием света +
б) облучения вещества светом
в) распространения фотонов

12. Почему при положительном заряде пластины фотоэффект не происходит:
а) энергии электронов не достаточно
б) вырванные электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней +
в) электроны не вырываются из вещества

13. Изменяется ли заряд электрометра, подключённого к положительно заряженной пластине, если её облучать светом:
а) нет +
б) да
в) сначала увеличивается, а затем уменьшается

14. Какой вид излучения вызывает фотоэффект:
а) видимое
б) инфракрасное
в) ультрафиолетовое +

15. Почему отрицательно заряженная пластина, облучаемая светом, не теряет электроны, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло:
а) стекло поглощает ультрафиолетовые лучи +
б) стекло поглощает фотоны
в) стекло задерживает свет

16. Что такое ток насыщения:
а) максимальное значение тока, которое соответствует частоте 1000 Гц
б) значение силы тока, после которого она перестаёт увеличиваться +
в) наибольшее значение силы тока, при котором напряжение не увеличивается

17. Согласно второму закону фотоэффекта:
а) кинетическая энергия фотоэлектронов обратно пропорциональна частоте света
б) кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от частоты света
в) кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте света +

18. Чему равна масса покоящегося фотона:
а) 100 мг
б) 0 кг +
в) 10 мг

19. Что такое красная граница фотоэффекта:
а) наименьшая длина волны
б) длина волны красного света
в) наибольшая длина волны +

20. Длина волны голубого света 500 нм, а желтого 600 нм. Фотоны какого света имеют большую энергию:
а) желтого
б) голубого +
в) одинаковы

21. Порция электромагнитной волны:
а) квант +
б) люмий
в) свет

23. Чем выше частота падающего света, тем больше максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов:
а) в некоторых случаях
б) нет
в) да +

24. Число электронов, вырываемых с поверхности металла, пропорционально энергии световой волны или нет:
а) в некоторых случаях
б) пропорционально +
в) не пропорционально

25. Энергия кванта света пропорциональна длине волны излучения или нет:
а) да
б) иногда
в) нет +

26. Чтобы перевести эВ в Дж, необходимо значение в эВ умножить на:
а) величину сложного заряда
б) величину элементарного заряда +
в) величину мощности

27. Свет имеет прерывистую структуру, излучается и поглощается порциями, так ли это:
а) да +
б) нет
в) в некоторых случаях

28. Если длина волны падающего света меньше определенного для данного вещества величины, то фотоэффект:
а) не происходит
б) нет верного ответа
в) происходит +

29. Он обнаружил, что ультрафиолетовое излучение уменьшает отрицательный заряд пластинки электрометра и не изменяет положительный:
а) Столетов +
б) Планк
в) Ньютон

30. Он предположил, что атомы излучают свет порциями:
а) Кюри
б) Планк +
в) Столетов

10. Длина волны красного света почти в 2 раза больше, чем фиолетового. Энергия фотона красного света по отношению к энергии фотона фиолетового света:
а) меньше в 4 раза
б) меньше в 2 раза +
в) больше в 2 раза

14. Какой вид излучения вызывает фотоэффект:
а) видимое
б) инфракрасное
в) ультрафиолетовое +

15. Почему отрицательно заряженная пластина, облучаемая светом, не теряет электроны когда на пути света поставлено обыкновенное стекло:
а) стекло поглощает ультрафиолетовые лучи +
б) стекло поглощает фотоны
в) стекло задерживает свет

18. Чему равна масса покоящегося фотона:
а) 100 мг
б) 0 кг +
в) 10 мг

21. Порция электромагнитной волны:
а) квант +
б) люмий
в) свет

25. Энергия кванта света пропорциональна длине волны излучения или нет:
а) да
б) иногда
в) нет +

30. Он предположил, что атомы излучают свет порциями:
а) Кюри
б) Планк +
в) Столетов

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Противоречие электродинамики Максвелла и классической механики Противоречие электродинамики Максвелла и опытным фактам излучения веществом коротких ЭМВ (начиная с инфракрасного): Создание Эйнштейном СТО и ОТО Из опытов по излучению Из теории Максвелла Теория Максвелла: главное условие излучения ЭМВ – ускоренное движение заряда. Нагретое тело должно непрерывно излучать (ионы кристаллической решетки колеблются) и охладиться до абсолютного нуля, чего не происходит на практике

Планк Макс (1858—1947) — великий немецкий физик-теоретик, основатель квантовой теории – современной теории движения, взаимодействия и взаимных превращений микроскопических частиц. В 1900 г. в работе по исследованию теплового излучения предположил, что энергия осциллятора (системы, совершающей гармонические колебания) принимает дискретные значения, пропорциональные частоте колебаний, энергия излучается отдельными порциями. Большой вклад внес в развитие термодинамики. энергия кванта постоянная Планка

Опыт нельзя объяснить на основе волновой теории света: почему волны малой частоты не могут вырвать электроны даже при большой интенсивности освещения? Вывод: с поверхности цинка электроны вырывает ультрафиолетовый свет, так как его частота больше, а значит и больше энергия каждого кванта Впервые квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон).

1. От чего зависит число вырванных светом электронов (фотоэлектронов)? 2. Чем определяется скорость (кинетическая энергия) этих фотоэлектронов?

Принцип работы установки 1. Без освещения светом катода тока в цепи нет, т.к. нет носителей заряда. 2. При освещении светом катода возникает фототок даже при отсутствии разности потенциалов. 3. При некотором напряжении возникает фототок насыщения. 4. При увеличении интенсивности излучения фототок насыщения увеличивается.

Демонстрация первого закона фотоэффекта с помощью интерактивной модели

Изменим полярность батареи 1. При увеличении обратного напряжения сила тока уменьшается. 2. При некотором напряжении (задерживающем) сила тока становится равной нулю. 3. Вывод: электрическое поле тормозит вырванные светом электроны и возвращает их на электрод. 4. По теореме об изменении кинетической энергии взаимосвязь кинетической энергии фотоэлектронов с задерживающим напряжением 5. При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не изменяется. 6. Кинетическая энергия фотоэлектронов зависит только от частоты света.

Демонстрация второго закона фотоэффекта с помощью интерактивной модели

Демонстрация третьего закона фотоэффекта с помощью интерактивной модели Фотоэффект не происходит при определенной минимальной частоте для данного вещества.

Работа выходов электронов Единица измерения работы:

ОК-31, с.256-257 и §87, 88; подготовиться к семинарскому занятию.

Краткое описание документа:

В 1865 году Максвелл показал теоретически, что свет представляет собой электромагнитные волны порядка 400-800 нм. Теория Максвелла, подтвержденная опытами Генриха Герца, связывает оптические, электрические и магнитные свойства вещества.

1865 _Герц Максвелл свет – электромагнитная волна.

Однако по мере развития физики стали накапливаться и такие факты, которые не согласовывались не с классической теорией излучения, ни с волновыми представлениями о природе света.

Чтобы достигнуть согласия между теорией и опытом, надо было принять, что свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами). Это означало, что свет обладает свойствами не только волн, но и частиц.

Квантовая теория света была выдвинута Максом Планком 14 декабря 1900 года на собрании Немецкого физического общества, где он высказал мысль о том, что энергия излучения состоит из отдельных малых и неделимых частей – квантов или фотонов.

1900 Макс свет излучается и поглащается отдельными

14 дек Планк порциями - квантами

Согласно квантовой теории каждый фотон (квант) имеет энергию:

ν – частота испускаемого излучения

h = 6,62 10 -34 Дж с – постоянная Планка

Явление же фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем. Однако в России исследованием этого явления занимался Александр Григорьевич Столетов. Его имя по праву стоит в числе первооткрывателей фотоэффекта.

А теперь давайте выясним на опытах в чем суть этого явления.

Опыт №1. Цинковую пластину зарядили отрицательно от эбонитовой палочки.

Засечь время разрядки электрометра и занести данные в таблицу.

Опыт №2. Цинковую пластину зарядить положительно от стеклянной палочки.

При облучении светом пластинки, стрелка электрометра не подвижна.

Почему пластинка не теряет заряд под действием света?

Опыт 3. Медную пластинку зарядим отрицательно. Записать время разрядки

электрометра в таблицу. Давайте сравним результаты.

Почему время не одинаковое, в чём может быть причина?

Итак, а теперь давайте подведём итог нашим опытам и рассуждениям и сделаем выводы:

Тело теряет заряд только в том случае, если оно заряжено отрицательно.
Причиной ухода зарядов в цинковой пластине является свет, причём под действием квантов света выбиваются только электроны.
Интенсивность выбивания электронов зависит от рода металла.

И на основе данных выводов можно дать определение фотоэффекта.

Фотоэффект-явление вырывания электронов из вещества под действием света.

Во времена первых исследований фотоэффекта его природа была не известной, так как сами электроны в то время ещё не были открыты. Потерю заряда при этом пытались объяснить вырыванием светом мельчайших металлических частичек.

Однако в 1987 г. Томсон открыл электрон и через 2 года в 1989 году немецкий физик Филипп Ленард доказал, что мельчайшие металлические частички вырванные светом и есть электроны.

Развитие науки показало, что гипотеза Бланка оказалась предвестником революции в физике. Она привила к рождению новой теории света и вещества - квантовой механике.

Физический смысл гипотезы Бланка раскрыл А. Эйнштейн, предположив, что свет обладает корпускулярными свойствами, то есть свойствами частиц. Частицы света в последствии назвали фотонами. Предположение Эйнштейна позволило объяснить уже знакомые нам явления фотоэффекта, о чём мы поговорим чуть-чуть позже.

А сейчас нам предстоит узнать от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества фотоэлектронов, какова зависимость количества электронов от интенсивности световой волны.

И зразу давайте обратимся к рисунку 244 на странице 314 в учебнике. На рисунки изображена схема установки для исследования фотоэффекта.

В баллон, из которого откачен воздух, помешены электроды. Поток света падает на электрод 1 и вырывает из него электроны. Часть этих электронов попадает на электрод 2, в результате между анодом и катодом возникает ток, который называется фототоком.

Прежде чем дать определение фототоку, давайте вспомним, что называют электрически током?

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц.

Соответственно, что называют фото током?

Фототок – движение вырванных светом из катода электронов.

Силу фототока измеряют миллиампером или гальванометром; напряжение между электродами измеряется вольтметром.

С помощью такой установки можно измерить число ежесекундно вырванных светом электронов, а так же максимальную кинетическую энергию вырванных электронов.

Исследуя зависимость фототока от приложенного напряжения, А.Г. Столетов установил, что он не подчиняется закону Ома. На рисунки 244 б изображен график зависимости фототока от напряжения между электродами при неизменном освещении пластинки.

Из графика видно, что фототок сначала растёт, а затем при сравнительно не большом напряжении перестаёт расти.

Максимальное значение фототока называют фототоком насыщения.

Ели изменить полярность источника напряжения, то сила тока уменьшится и при не котором задерживающем напряжении она станет равной нулю. В этом случае электрический ток тормозит фотоэлектроны до полной остановки, а затем возвращает их на катод.

Фотоэлектрон – электрон, вырванный светом из вещества.

И еще одно очень важное замечание, на которое я хочу обратить ваше внимание.

Если электроны, вырванные светом, покидают вещество, то такой фотоэффект называют внешним.

При взаимодействии вещества с поглощаемым электромагнитным излучением возникает фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Различают внешний и внутренний фотоэффект.

Внешний фотоэффект	Внутренний фотоэффект
явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света	явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе, а следовательно, и увеличения электропроводности вещества под действием света

В 1887 г. Герц обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает проскакивание искры между ними.

Чтобы обнаружить фотоэффект, можно использовать электрометр с подсоединенной к нему отрицательно заряженной пластиной. При освещении пластины она разряжается гораздо быстрее, чем без освещения. Если на пути пучка света поставить стекло, то эффект пропадает. Значит, вырывают электроны лучи, которые задерживаются стеклом – ультрафиолетовые.

Объяснение фотоэффекта:
под действием света с пластины из цинка вырываются электроны, которые отталкиваются от отрицательно заряженной пластины, и электроскоп разряжается быстрее.

Русский физик А.Г. Столетов изучил закономерности явления, которые впоследствии были названы законами Столетова для фотоэффекта. Два электрода (один в виде сетки, другой – плоский), находящиеся в вакууме, присоединены к батарее. Включенный в цепь амперметр служит для измерения возникающей силы тока.

Для данного эксперимента ученый взял колбу из стекла, из которой полностью откачал воздух. Таким образом, он исключил все свободные атомы, способные помешать электронам двигаться. В колбу вывели электроды, подключенные к источнику напряжения.

В результате действия света на катод, с него начали выбиваться электроны. Под действием разности потенциалов электроны начали свое движение в направлении анода. Так как напряжение способствовало направленному движению электронов, то в цепи появился ток. Данный ток получил название фототока, а частицы, вылетевшие с поверхности катода - фотоэлектронами.

Законы внешнего фотоэффекта

При увеличении напряжения сила тока растет и достигает максимального значения (ток насыщения). Логично предположить, что в результате уменьшения напряжения на электродах, частицы начнут двигаться медленнее, что приведет к уменьшению фототока в колбе.

Если продолжать уменьшать напряжение в цепи, и в конечном итоге поменять полярность, то электроны начнут двигаться в противоположном направлении. Это напряжение называется запирающим. Его величина определяется работой электрического поля по торможению электрона:

При изменении интенсивности светового потока изменяется количество выбитых электронов и, соответственно, сила тока насыщения, но не меняется их кинетическая энергия.

1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.

Движение электронов начинается только при достижении света определенной начальной частоты. Эта частота называется красной границей. Если частота излучения меньше красной границы, то фотоэффект не происходит, а значит, фототок равен нулю.

2. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

3. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта , т. е. наименьшая частота ν_min, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > ν_min.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

В 1905 г. теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = h ν, 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 h ν 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 A , зависящую от свойств материала катода.

Это уравнение объясняет:

Интенсивность света пропорциональна числу квантов энергии в световом пучке, определяет число вырванных электронов;
Скорость электронов определяется только частотой света и работой выхода, т.е. зависит от типа металла и состояния поверхности, а от интенсивности света не зависит.

Таблица работа выхода

Применение фотоэффекта

Вакуумный фотоэлемент применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах, в управлении производственными процессами

Полупроводниковые фотоэлементы используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, 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 и в живых организмах.

Читайте также: