Фото- электрический эффект

Фотоэлектрический
эффект
Наблюдение фотоэффекта
Домашнее задание
• § 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.
Домашнее задание
• § 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 Г. Герцем и
в 1888–1890 годах экспериментально
исследован А. Г. Столетовым.
• Наиболее полное исследование явления
фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом
в 1900 г.
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.
Наблюдение фотоэффекта:
• 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.
Внешний фотоэффект
• Фотоэффект - явление испускания
электронов с поверхности металла под
действием света.
Т.е. свет выбивает (вырывает) электроны из
металла.
Столетов
Александр Григорьевич (1839-1896)
• Количественные
закономерности
фотоэффекта были
установлены
А.Г.Столетовым
(1888—1889).
Схема экспериментальной установки
для изучения фотоэффекта.
Катод K
Источник монохроматического
света длины волны λ
Кварцевое окошко
Анод А
Двойной ключ
для
изменения
полярности
• Стеклянный вакуумный
баллон
Электроизмерительные
приборы для снятия
вольтамперной
характеристики
Потенциометр для
регулирования
напряжения
Источник напряжения U
План исследования:
1. Получить зависимость I(U). Выяснить
физический смысл характерных точек;
2. Исследовать изменение I(U) при различных
значениях светового потока.
3. Исследовать изменение I(U) при
освещении светом различного
спектрального состава.
4. 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
Для запуска нажмите
напряжения?
на рисунок.
• 3. Что происходит при смене
полярности?
• Сформулируйте гипотезы по результатам
наблюдений. Не забудьте учесть, что вы уже
знаете, что такое фотоэффект.
Анализ вольт-амперной
характеристики.
• Начиная с некоторого
значения напряжения
сила тока в цепи
перестает изменяться,
достигнув насыщения.
I0
• При U  0 I 0  0
следовательно выбитые
электроны обладают
кинетической энергией.
• Сила тока насыщения
прямо пропорциональна
числу электронов,
выбитых светом за 1 с с
поверхности катода:
q eN
I 
 const  I нас
t
1c
Анализ вольт-амперной
характеристики.
• При таком значении
напряжения сила тока
в цепи анода равна
нулю.
Напряжение запирания
(запирающее напряжение)
Uç
I0
При U > Uз в результате облучения электроны, выбитые из
электрода, могут достигнуть противоположного электрода
и создать некоторый начальный ток.
Анализ вольт-амперной
характеристики.
• Согласно закону
сохранения энергии
m
eU з 
2
2
max
где m - масса электрона,
а υmax - максимальная скорость
фотоэлектрона.
Задание 2. Исследовать изменение I(U) при
различных значениях светового потока.
Для запуска нажмите
на рисунок.
• Не изменяя частоту света,
поменяйте мощность
излучения (световой поток).
Как изменяется ВАХ?
• 1. Что происходит с током
насыщения?
• 2. Что происходит с
запирающим напряжением?
• Сформулируйте гипотезы по результатам
наблюдений. Не забудьте учесть, что вы уже
знаете, что такое фотоэффект.
Зависимость числа выбитых
электронов от светового потока.
ν1= ν2
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!
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.
Для запуска нажмите
на рисунок.
• Сформулируйте
гипотезы по
результатам
наблюдений.
• 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?
Влияние спектрального состава света
• При частоте ν = νmin
запирающее напряжение
равно нулю.
• При частоте ν < νmin
фотоэффект отсутствует.
• 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  < min ни при какой
интенсивности волны
падающего на фотокатод света
фотоэффект не произойдет.
• Т.к.  
c
,

то минимальной частоте
света соответствует
максимальная длина волны.
• 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.
Уравнение Эйнштейна
• На основании закона сохранения энергии:
m 2
hA
2
• 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.
Работа выхода
• Работа выхода - это характеристика
материала (табличная величина).
• 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
• Количество фотоэлектронов, выбиваемых
светом с поверхности металла за 1 с, прямо
пропорционально поглощаемой за это время
энергии световой волны.
Число фотонов Nф равно числу
электронов Nэ.
• Энергия монохроматического
света E  N ф h   N э h 
• Следовательно,
Nэ 
E
h
Доказательство законов
фотоэффекта
• Кинетическая энергия фотоэлектронов
линейно возрастает с частотой света не
зависит от интенсивности падающего света.
Из уравнения Эйнштейна:
Доказательство законов
фотоэффекта
• Для каждого вещества существует красная
граница фотоэффекта, т. е. существует
наименьшая частота min, при которой еще
возможен фотоэффект.
Минимальная частота света соответствует
Wк=0,
c
A .
то h min  A или h
 max
Эти формулы позволяют определить работу
выхода A электронов из металла.
Работа выхода
• 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
• Это позволяет
электрона e:
экспериментально определить
значение постоянной Планка.
h( 2   1 )  e(U1  U 2 )
Такие измерения были
выполнены Р. Милликеном
U1  U 2 h
(1914 г.) и дали хорошее
tg 

 2 1 e
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.
Демонстрационные опыты по
теме «внешний фотоэффект»
Оборудование: 1) осветитель с ртутнокварцевой лампой или электрическая дуга, 2)
дроссель к лампе, 3) реостат на 10Ом, 5А, 4)
электрометр, 5) цинковая пластинка, 6) палочки
из эбонита и стекла для электризации, 7) мех,
кожа, 8) штатив универсальный, 9) кусок
картона.
Цинковую пластинку, например из набора по
электролизу, зачищают с одной стороны до
блеска и при помощи небольшой трубочки
устанавливают вертикально на стержне
электрометра (рис.).
На расстоянии примерно 50см от
электрометра укрепляют в штативе ртутнокварцевую лампу и включают ее через дроссель
и реостат в осветительную сеть. Отверстие в
корпусе лампы закрывают ширмой -куском
картона.
Пластинку поворачивают зачищенной
стороной к лампе и заряжают отрицательно от
эбонитовой палочки.
Как только стрелка электрометра установится
и учащиеся убедятся, что заряд на пластинке
хорошо сохраняется, быстро отодвигают в
сторону ширму и наблюдают постепенную
потерю цинковой пластинкой отрицательного
заряда.
Рис. Демонстрация внешнего фотоэффекта на цинковой
пластинке.
Обращают внимание на то, что разряд
электрометра начинается сразу же после
освещения пластинки и быстро прекращается,
если свет лампы снова закрыть ширмой.
После этого цинковую пластинку заряжают положительно от стеклянной палочки. Знак
заряда проверяют с помощью заряженной эбонитовой палочки: приближение ее к пластинке
уменьшает угол отклонения стрелки электрометра. Затем ширму снова отодвигают в сторону и
убеждаются, что стрелка электрометра остается неподвижной даже при продолжительном
облучении. Свет не может выбить из цинка положительные заряды; электроны же из
положительной пластины не выбиваются потому, что они удерживаются электрическим полем
положительного заряда.
Далее освещают незаряженную пластинку. Начавшийся на ней в первый момент
фотоэффект очень скоро прекращается, так как, потеряв часть электронов, пластинка
оказывается заряженной положительно. Этот заряд очень мал и школьным электрометром не
обнаруживается.
Если к цинковой пластинке постепенно приближать, положительно заряженную стеклянную
палочку, стрелка электрометра все больше отклоняется от нулевого деления шкалы и не
возвращается к нему после удаления палочки. Исследование показывает, что оставшийся на
пластинке заряд является положительным. Это означает, что цинк под действием падающего на
него излучения терял электроны. Процесс этот продолжался все время поскольку
электрическое поле положительно заряженной палочки помогло удалять с пластины
отрицательный заряд. Это и привело к накоплению на электрометре значительного по величине
положительного заряда, который уже обнаруживается.
Эти опыты убеждают учащихся в том, что причиной ухода зарядов с цинковой пластины
является свет и что под действием квантов света из цинковой пластинки выбиваются только
отрицательные заряды - электроны.
Учащимся поясняют, что практически мгновенное возникновение фотоэффекта нельзя
объяснить с точки зрения волновых представлений о свете; согласно этим представлениям
между началом облучения и моментом вылета электрона должно пройти некоторое время,
связанное с постепенным накапливанием электроном энергии, за счет поглощения приходящих
волн.
Безынерционность фотоэффекта доказывает квантовую природу света. Электрон, получив
при благоприятных условиях энергию отдельного кванта, сразу покидает поверхность вещества.
В этом и последующих опытах следует иметь в виду, что при работе с ртутной лампой
необходимо предохранять глаза1 от действия ультрафиолетового излучения: нельзя допускать
попадания лучей от лампы в сторону класса; учитель должен пользоваться специальными очками.
Вместо ртутной лампы можно применять в качестве осветителя электрическую дугу с взаимно
перпендикулярным расположением углей. Последние следует заправить кусочками алюминиевой
проволоки для увеличения потока ультрафиолетовых лучей.
На протяжении нескольких лет выпускался комплект «Фотоэффект», который позволяет
полностью осуществить все демонстрации по теме.
В приведенных выше демонстрациях возможно применение в качестве осветителя бытового
ультрафиолетового осветителя, применяемого для ухода за кожей лица.
Зависимость интенсивности внешнего
фотоэффекта от рода вещества
Оборудование: 1) осветитель с ртутнокварцевой лампой или электрическая дуга, 2)
дроссель к лампе, 3) реостат на 10Ом, 5А, 4)
электрометр, 5) секундомер электрический
демонстрационный, 6) пластинки: цинковая,
медная, свинцовая, алюминиевая,
стеклянная и пластинка, покрытая сажей, 7)
палочка из эбонита для электризации, 8) мех,
9) штатив универсальный, 10) кусочек
картона.
Рис. Демонстрация зависимости фотоэффекта от
рода вещества.
После обнаружения фотоэффекта на цинковой пластинке (см. предыдущий опыт) очень
важно показать это явление на других металлах, а также на неметаллических телах.
Для этого описанный выше опыт повторяют в первую очередь с медной и свинцовой
пластинками из набора по электролизу. Желательно также приготовить пластинки из
других металлов и провести с ними опыт. Все пластинки с одной стороны предварительно
зачищают наждачной бумагой до блеска, а их края округляют и шлифуют. В качестве
неметаллического вещества удобно взять сажу; ее наносят тонким слоем на металлическую
пластинку, для чего последнюю помещают в коптящее пламя керосиновой горелки.
Пластинки поочередно устанавливают на электрометре, заряжают отрицательно до
одинакового потенциала, а затем разряжают при помощи светового пучка от ртутной или
дуговой лампы (рис.). Время разряда в каждом случае измеряют при помощи
демонстрационного или ручного секундомера.
Измерения показывают, что медленнее всех разряжается пластинка, покрытая сажей, а быстрее - цинковая
пластинка; немного медленнее цинковой разряжается алюминиевая пластинка и еще примерно в два раза
медленнее теряют заряд свинцовая и медная пластинки.
Так как размеры пластин, начальный заряд и величина светового потока в этих опытах не меняются, то
результаты измерения разряда пластин позволяют сделать важный вывод о том, что различные тела под
действием света неодинаково освобождают электроны. Иначе говоря, величина так называемой работы выхода
электронов у различных тел различна. Чем работа выхода меньше, тем больше электронов выбивает свет в
единицу времени и тем быстрее пластина разряжается.
В связи с этим желательно познакомить учащихся с табличными данными работы выхода у различных
металлов и отметить, что она имеет наименьшее значение у щелочных металлов (калий, цезий). По этой
причине щелочные металлы широко применяются для изготовления катодов современных фотоэлементов.
Зависимость интенсивности внешнего
фотоэффекта от величины светового потока и
частоты света
Оборудование: 1) ультрафиолетлвый
осветитель или электрическая дуга, 2)
дроссель к лампе, 3) реостат на 10Ом, 5А, 4)
электрометр, 5) секундомер электрический
демонстрационный, 6) пластинки: цинковал,
медная, свинцовая, 7) палочка из эбонита или
органического стекла и мех, 8) кусок картона,
9) кусок оконного стекла, целлофана или
тонкого органического стекла, 10) метр
демонстрационный, 11) штатив
универсальный, 12) электрическая лампа.
Рис. Демонстрация зависимости фотоэффекта от
рода вещества
Собирают установку, показанную на рисунке. Электрометр с цинковой пластинкой
располагают на расстоянии 50 см от ртутной лампы и заряжают отрицательно. Зажигают лампу
и, отодвинув в сторону ширму, наблюдают начавшийся разряд пластинки. Как только стрелка
электрометра будет проходить, например, пятое деление шкалы, включают демонстрационный
секундомер и измеряют время полного разряда пластинки.
После этого "световой поток уменьшают в четыре раза (электрометр отодвигают от лампы
на расстояние 100см) и повторяют опыт.
Даже при такой несовершенной постановке опыта можно показать, что интенсивность
фотоэффекта, определяемая числом электронов, вылетающих в единицу времени с единицы
поверхности тела, прямо пропорциональна величине падающего светового потока (закон
Столетова).
Снова заряжают цинковую пластинку отрицательно и освещают ее зачищенную сторону
электрической лампой накаливания. Убеждаются в полном отсутствии фотоэффекта. Затем
зажигают ртутную лампу и перекрывают выходящий из нее световой пучок оконным стеклом.
Проходящий через стекло свет также не оказывает действия на отрицательный заряд цинковой
пластинки. Фотоэффект не наблюдается и в том случае, если увеличить освещенность
цинковой пластинки (приблизить электрометр к лампе).
Затем вместо оконного стекла берут тонкую пластинку из плексигласа или целлофана,
пропускающих длинноволновую часть ультрафиолета. Теперь электрометр обнаруживает
потерю отрицательного заряда цинковой пластиной, но на меди и свинце фотоэффект не
наблюдается.
Если световой пучок от лампы перекрыть увиолевым стеклом, прозрачным для широкого
диапазона ультрафиолетового излучения и непрозрачным для видимого света, то фотоэффект
наблюдается на различных металлах.
Опираясь на эти опыты, подводят учащихся к выводу, что для каждого вещества
фотоэффект наступает при определенной частоте света, независимо от величины светового
потока.
Граница фотоэффекта целиком определяется величиной работы
выхода электронов с поверхности тела.
В связи с этим полезно познакомить учащихся с таблицей, в которой указаны значения
граничных частот света для различных металлов, и отметить, что граница фотоэффекта у таких
распространенных металлов, как цинк, медь, свинец, алюминий, лежит в ультрафиолетовой
части спектра, тогда как у щелочных металлов (натрий, калий) она находится в видимой, а у
цезия даже в инфракрасной части спектра. Поэтому в фотоэлементах, чувствительных к
видимому свету, катоды обрабатывают щелочными металлами.