Наша с вами задача выяснить, какой эффект может произвести свет с веществом, каким физическим законам он подчиняется, какими математическими формулами выражается и от каких характеристик света и вещества зависит это сегодня мы с вами и рассмотрим на уроке. Итак, тема урока «Фотоэффект. Уравнение фотоэффекта.»
(слайд 1)
Тела, нагретые до достаточно высокой температуры, приобретают способность светиться, излучая электромагнитные волны.
Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами за счет своей энергии. (слайд 2)
Тепловое излучение ведет к уменьшению внутренней энергии и, следовательно, к снижению температуры тела, к его охлаждению. Увеличение внутренней энергии возможно лишь при поглощении телом энергии. Испуская электромагнитные волны, а также частично поглощая падающие на них волны, тела способны обмениваться энергией. Постоянная температура тела устанавливается, когда уменьшаение энергии тела в результате излучения компенсируется ее увеличением при поглощении. При термодинамическом равновесии спектр излучаемой и поглощаемой энергий остается неизменным во времени.
Примером равновесного излучения внутри замкнутой оболочки, окруженной снаружи теплонепроницаемой изоляцией. Энергия, излучаемая каждым элементом поверхности оболочки в единицу времени, равна энергии, передаваемой излучением этому элементу за то же время. Благодаря замкнутости оболочки такое тело, называемое абсолютно черным, поглощает всю падающую на него энергию.
Абсолютно черное тело – тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения любой частоты при произвольной температуре. .
Луч света, попадающий внутрь полости через отверстие, претерпевает многократное отражение от стенок полости. При каждом отражении происходит частичное поглощение энергии света стенками. Поэтому независимо от материала внутренней поверхности оболочки интенсивность света, выходящего из полости через отверстие, во много раз меньше интенсивности падающего извне первичного излучения, попадающего в полость, поглощается. По аналогичной причине открытые окна домов днем кажутся черными, хотя в комнатах достаточно светло из-за отражения дневного света от стен. Методы классической физики оказались недостаточными для объяснения характеристик излучения абсолютно черного тела.
Тепловое излучение абсолютно черного тела: ультрафиолетовая катастрофа - расхождение классической теории теплового излучения с опытом. (слайд 3)
В поисках выхода из этого противоречия между теорией и опытом немецкий физик Макс Планк (слайд 4) предложил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами. Энергия каждой порции прямопропорционально частоте излученияE = hν. (слайд 5) Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планка
В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем (слайд 6) и тщательно исследовано выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Это явление получило название фотоэффекта (слайд 7).
Сообщение «Столетов Александр Григорьевич»
Фотоэффект – вырывание электронов из вещества под действием света.
Для обнаружения фотоэффекта можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной (слайд 8 , ).
Для того чтобы получить о фотоэффекте более полное представление, нужно выяснить, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов и чем определяется их скорость или кинетическая энергия. С этой целью были проведены экспериментальные исследования. (слайд 9).
Законы фотоэффекта:
Количество электронов, вырываемых с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. (слайд 10)
При некотором значении напряжения Uз сила тока станет равной нулю. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод. Это напряжение называют задерживающим напряжением, и зависит от максимальной кинетической энергии, которую имеют вырванные светом электроны. Максимальное значение кинетической энергии можно найти, применяя теорему о кинетической энергии: mυ 2 /2 = еUз
При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не меняется. Это означает, что не меняется кинетическая энергия электронов.
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. (слайд 11).
Каждому веществу соответствует минимальная частота излучения (красная граница), ниже которой фотоэффект невозможен. (слайд 12).
Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 году Эйнштейном (слайд 13), развившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.
Явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порциями световой энергииE = hν сохраняет индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.
Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии. Энергия порции света hν идет на совершение работы выхода А, т.е. работы, которую нужно совершить для извлечения электрона из металла, и на сообщение электрону кинетической энергии. (слайд 14). Следовательно (слайд 15)
Это уравнение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта.
Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота света ν больше минимального значения νmin.Чтобы вырвать электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода (слайд 16). Работа выхода Ав часто измеряется в электронвольтах.1 эВ = 1,6·10 -19 Дж.Значения работы выхода для различных веществ можно найти всправочных таблицах. (талб. 11 с. 164, сборник задач Рымкевич). (Слайд 17)
Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы hν >A. (слайд17).
Предельную частоту νmin.называют красной границей фотоэффекта.
Закрепление: решение задач (слайд 18)
По какой причине открытые окна домов днем кажутся черными, хотя в комнате достаточно светло из-за отражения дневного света от стен?
Найдите энергию фотона с длиной волны 400 нм.
Используя данные таблицы (см. слайд 16), найдите красную границу фотоэффекта для цинка.
Найдите задерживающую разность потенциалов для фотоэлектронов, вырываемых с поверхности вольфрама светом с длиной волны 400 нм.
Подведение итогов.Так или иначе, но Эйнштейну удалось показать, что квантовая теория имеет право на существование. Применяя, ее для объяснения все новых явлений он непрерывно увеличивал число ее сторонников. Последние сомнения в существовании световых квантов отпали.
