Презентация "Законы фотоэффекта" по физике – проект, доклад

Фото- электрический эффект © В.Е. Фрадкин 2004

Из коллекции www.eduspb.com

Домашнее задание

Г.Н.Степанова, Физика 11(1), § 22,23 Знать: Способы наблюдения фотоэффекта, Физическую суть явления, Цель опытов А.Г.Столетова, схему установки и назначение деталей, Вид графика зависимости I(U) и смысл характерных точек, Законы фотоэффекта, Свойства фотоэффекта, которые не могут быть объяснены волновой теорией, Уравнение Эйнштейна, Смысл работы выхода электронов.

Г.Н.Степанова, Физика 11(1), § 22,23 Уметь: анализировать график зависимости I(U), объяснять наличие тока насыщения, законы фотоэффекта на основе уравнения Эйнштейна, объяснять смысл запирающего напряжения, объяснять смысл уравнение Эйнштейна.

Открытие фотоэффекта

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г.

Г. Герцем

Внешний фотоэффект

Опыт Г. Герца (1888 г.): при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.

Наблюдение фотоэффекта:

1. Цинковую пластину, соединенную с электроскопом, заряжают отрицательно и облучают ультрафиолетовым светом. Она быстро разряжается. Если же ее зарядить положительно, то заряд пластины не изменится.

2. Ультрафиолетовые лучи, проходящие через сетчатый положительный электрод, попадают на отрицательно заряженную цинковую пластину и выбивают из нее электроны, которые устремляются к сетке, создавая фототок, регистрируемый чувствительным гальванометром.

Фотоэффект - явление испускания электронов с поверхности металла под действием света. Т.е. свет выбивает (вырывает) электроны из металла.

Столетов Александр Григорьевич (1839-1896)

Русский физик, научные работы посвящены электромагнетизму, оптике, молекулярной физике, философским вопросам науки. Впервые показал, что при увеличении намагничивающего поля, магнитная восприимчивость железа сначала возрастает, а затем падает, проходя через максимум, осуществил ряд экспериментов для определения величины отношения электромагнитных и электростатических величин, получил значение, близкое к значению скорости света (1876г.). В 1888-90г. выполнил цикл работ по исследованию явления внешнего фотоэффекта, создал первый фотоэлемент (1888г.), является основоположником количественных методов исследования фотоэффекта, изучал несамостоятельный газовый разряд, исследовал критическое состояние вещества, многое сделал для развития физики в России. В 1872г создал первую физическую лабораторию и исследовательский институт при Московском университете.

Количественные закономерности фотоэффекта были установлены А.Г.Столетовым (1888—1889).

Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта.

План исследования:

Получить зависимость I(U). Выяснить физический смысл характерных точек; Исследовать изменение I(U) при различных значениях светового потока. Исследовать изменение I(U) при освещении светом различного спектрального состава. Исследовать изменение I(U) для разного материала катода

Задание 1. Получить зависимость I(U). Выяснить физический смысл характерных точек

Установите синий или зеленый светофильтр. Изменяя напряжение, рассмотрите получающуюся вольтамперную характеристику. 1. Наблюдается ли ток при U=0? 2. Что происходит с силой тока при дальнейшем увеличении напряжения? 3. Что происходит при смене полярности?

Сформулируйте гипотезы по результатам наблюдений. Не забудьте учесть, что вы уже знаете, что такое фотоэффект.

Для запуска нажмите на рисунок.

Анализ вольт-амперной характеристики.

Начиная с некоторого значения напряжения сила тока в цепи перестает изменяться, достигнув насыщения.

При следовательно выбитые электроны обладают кинетической энергией.

Сила тока насыщения прямо пропорциональна числу электронов, выбитых светом за 1 с с поверхности катода:

При таком значении напряжения сила тока в цепи анода равна нулю.

Напряжение запирания (запирающее напряжение)

При U > Uз в результате облучения электроны, выбитые из электрода, могут достигнуть противоположного электрода и создать некоторый начальный ток.

Согласно закону сохранения энергии

где m - масса электрона, а υmax - максимальная скорость фотоэлектрона.

Задание 2. Исследовать изменение I(U) при различных значениях светового потока.

Не изменяя частоту света, поменяйте мощность излучения (световой поток). Как изменяется ВАХ? 1. Что происходит с током насыщения? 2. Что происходит с запирающим напряжением?

Зависимость числа выбитых электронов от светового потока.

Световой поток, падающий на фотокатод увеличивается, а его спектральный состав остается неизменным: Ф2 > Ф1

Сила тока насыщения и, следовательно, число выбитых светом за 1 с электронов увеличивается: Iнас,2>Iнас,1 Значение запирающего напряжения не меняется!

ν1= ν2

Первый закон фотоэффекта

Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на металл. или Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

Задание 3. Исследовать изменение I(U) при освещении светом различного спектрального состава.

Последовательно меняйте светофильтры. 1. При любой ли длине волны (частоте) падающего света наблюдается фотоэффект? Чему равно запирающее напряжение при минимальной частоте (максимальной длине волны? 2. Как меняется запирающее напряжение при увеличении частоты? 3. Как меняется ток насыщения при увеличении частоты?

Сформулируйте гипотезы по результатам наблюдений.

Влияние спектрального состава света

При частоте ν = νmin запирающее напряжение равно нулю. При частоте ν

Если частоту света увеличить, то при неизменном световом потоке запирающее напряжение увеличивается, а, следовательно, увеличивается и кинетическая энергия фотоэлектронов.

Второй закон фотоэффекта:

Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света не зависит от интенсивности падающего света.

Задание 4. Исследовать изменение I(U) для разного материала катода

Можно ли в рамках данной компьютерной модели провести указанное исследование?

Сформулируйте свою гипотезу по данной проблеме. На чем она базируется?

Красная граница фотоэффекта

При 

Т.к длина волны больше у красного цвета, то максимальную длину волны (минимальную частоту), при которой еще наблюдается фотоэффект, назвали красной границей фотоэффекта.

Третий закон фотоэффекта

Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил, что красная граница фотоэффекта является характеристикой данного вещества. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота min , при которой еще возможен фотоэффект.

Законы фотоэффекта:

Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света не зависит от интенсивности падающего света. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота min , при которой еще возможен фотоэффект. Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.

Что не могла объяснить волновая теория света:

Безынерционность фотоэффекта. В волновой модели: электрон при взаимодействии с электромагнитной световой волной постепенно накапливает энергию, и только через значительное время вылетит из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Существование красной границы фотоэффекта. В волновой модели: необходимую энергию можно накопить при любой энергии волны. Независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока. Пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.

Идея Эйнштейна (1905 г.)

Свет имеет прерывистую дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. Квант поглощается электроном целиком. Энергия кванта передается электрону. (Один фотон выбивает один электрон.) Энергия каждого фотона определяется формулой Планка W = E = hν, где h – постоянная Планка.

На основании закона сохранения энергии: Смысл уравнения Эйнштейна: энергия кванта тратится на работу выхода электрона из металла и сообщение электрону кинетической энергии. В этом уравнении: ν - частота падающего света, m - масса электрона (фотоэлектрона), υ - скорость электрона, h - постоянная Планка, A - работа выхода электронов из металла.

Уравнение Эйнштейна

Работа выхода

Работа выхода - это характеристика материала (табличная величина см. стр. 112 учебника). Она показывает, какую работу должен совершить электрон, чтобы преодолеть поверхностную разность потенциалов и выйти за пределы металла. Работа выхода обычно измеряется в электронвольтах (эВ).

Доказательство законов фотоэффекта

Число фотонов Nф равно числу электронов Nэ. Энергия монохроматического света Следовательно,

Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

Из уравнения Эйнштейна:

Минимальная частота света соответствует Wк=0, то или .

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота min, при которой еще возможен фотоэффект.

Эти формулы позволяют определить работу выхода A электронов из металла.

Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. 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.

Определение постоянной Планка

Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν, равен отношению постоянной Планка h к заряду электрона e:

Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены Р. Милликеном (1914 г.) и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком.

Повторение

Внимательно посмотрите фильм. Приготовьтесь отвечать на вопросы, связанные с физическим смыслом явления фотоэффекта, описывающих его законов, входящих в них величин. Подумайте: где и для чего мы используем явление фотоэффекта.

Задачи

Задачи из «Открытой Физики 2.5»

Тесты

Тесты из «Открытой Физики 2.5»