panfilova fotoeffekt - Всероссийский фестиваль

Всероссийский интернет – конкурс педагогического творчества
(2014-2015 учебный год)
Номинация конкурса: педагогические идеи и технологии среднее образование
Название работы: Урок физики «Фотоэффект.Законы фотоэффекта»
Автор: Панфилова Татьяна Львовна, учитель физики МОУ СОШ №88
г.Ярославля
План-конспект урока по физике «Фотоэффект. Законы фотоэффекта»
(11класс)
Цели:

Сформировать понятие о фотоэффекте.

Объяснить законы фотоэффекта на основе квантовой теории.
 Познакомить учащихся с практическим применением фотоэффекта
Продолжить развитие умений
 работать с различными источниками информации,
 анализировать явления,
 использовать приобретенные знания в жизни.
Ход урока
I.
II.
Организационный момент (2 мин)
Актуализация опорных знаний(3 мин)
-В чем заключались трудности, с которым столкнулась теория теплового
излучения?
- Почему излучение нагретых тел не могло быть объяснено на основе
классической теории?
- Сформулируйте гипотезу Планка
- Запишите формулу Планка
- Чему равен коэффициент пропорциональности в формуле Планка?
- Начало какой физической теории было положено Планком?
III.
Изучение нового материала(20 мин)
В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении
одного замечательного явления, открытого в 1887 году немецким физиком Г. Герцем. Он
проводил опыты с электрическим разрядником и обнаружил, что при облучении
ультрафиолетовым
напряжении.
излучением
разряд
происходит
при
значительно
меньшем
В 1888–1890 годах экспериментально это явление было исследовано А. Г.
Столетовым и получило название фотоэффекта.
Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света. Если
зарядить цинковую пластину, присоединенную к электрометру, отрицательно и освещать
ее электрической дутой (см. рис.), то электрометр быстро разрядится.
Для изучения фотоэффекта А.Г.Столетов сконструировал
специальный прибор, состоявший из двух параллельных
дисков. Один из этих дисков, катод, сделанный из
металла, находился внутри стеклянного корпуса. Другой
диск, анод, представлял собой металлическую сетку,
нанесённую на изготовленный из кварцевого стекла торец
корпуса. Кварцевое стекло было выбрано учёным не
случайно. Дело в том, что оно пропускает все виды
световых волн, включая ультрафиолетовое излучение.
Обычное стекло ультрафиолетовое излучение задерживает.
Из корпуса откачивался воздух. К каждому из дисков
подводилось напряжение: к катоду отрицательное, к аноду
положительное.
Во время опытов учёный освещал катод через стекло
красным, зелёным, синим и ультрафиолетовым светом.
Величина тока регистрировалась гальванометром, в
котором основным элементом было зеркало. В
зависимости от величины фототока, зеркало отклонялось
на разный угол.
Наибольший эффект оказывали ультрафиолетовые лучи. И чем больше их было
в спектре, тем сильнее оказывалось воздействие света.
Столетов обнаружил, что под действием света освобождаются только
отрицательные заряды.
Сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его
интенсивности.
Катод изготавливали из различных металлов. Наиболее чувствительными к
свету оказались такие металлы, как алюминий, медь, цинк, серебро, никель.
В 1898 г. было установлено, что освобождаемые при фотоэффекте отрицательные
заряды являются электронами. Ленард и Томсон в 1898 году измерили удельный заряд
(е/m), вырываемых частиц, и оказалось, что он равняется удельному заряду электрона.
Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в
1900г.
Современная установка для изучения
фотоэффекта.
Внутри трубки, из которой откачан воздух
расположены две пластины, присоединенные к
источнику напряжения, в ту же цепь включен
миллиамперметр. Одна из пластин освещается светом.
Длину волны света можно менять в широком
диапазоне: от невидимого ультрафиолетового (на
старте λ=100 нм) до инфракрасного. Величина
светового потока регулируется диафрагмой.
Электроны, испускаемые под действием света, можно
подвегнуть действию либо задерживающего (U<0)
либо ускоряющего (U>0) электрического поля.
Вольтметр позволяет следить за разностью
потенциалов между электродами. Включение реостата
позволяет не только регулировать разность
потенциалов между электродами, но и менять ее
полярность.
Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием
света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются
фотоэлектронами, а образуемый ими ток называется фототоком.
С помощью схемы Столетова была получена следующая зависимость фототока от
приложенного напряжения при неизменном световом потоке Ф (вольт- амперная
характеристика)
При некотором напряжении UН фототок достигает насыщения Iн – все электроны,
испускаемые катодом, достигают анода, следовательно, сила тока насыщения Iн
определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под
действием света. Число высвобождаемых фотоэлектронов пропорционально числу
падающих на поверхность катода квантов света. А количество квантов света определяется
световым потоком Ф, падающим на катод.
1-й закон внешнего фотоэффекта (закон Столетова):
При фиксированной частоте падающего света фототок насыщения
пропорционален падающему световому потоку: при ν = const Iнас ~ Ф,
2- й закон фотоэффекта:
Uз - задерживающее напряжение - напряжение, при котором ни одному электрону не
удается долететь до анода. Следовательно, закон сохранения энергии для этого случая
можно записать: энергия вылетающих электронов равна задерживающей энергии
электрического поля
следовательно, можно найти максимальную скорость вылетающих
фотоэлектронов Vmax \
Величина Uз оказалась независящей от интенсивности падающего светового потока.
Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с
увеличением частоты ν света
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов (начальная скорость Vmax
фотоэлектронов) линейно растет с частотой света ν и не зависит от
интенсивности падающего света (от Ф).
3- й закон фотоэффекта:
Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть
минимальная частота света νmin (или максимальная длина волны λmax), при
которой ещё возможен фотоэффект, и если ν˂ νmin, то фотоэффект уже не
происходит.
Фотоэффект проявляется, начиная с определённой частоты света νmin. При этой
частоте, называемой «красной» границей фотоэффекта, начинается испускание
электронов.
Если частота фотона ниже νmin, его энергии будет недостаточно, чтобы «выбить»
электрон из металла.
Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить с помощью волновой
природы света (или классической электромагнитной теории света). Согласно этой теории
вырывание электронов проводимости из металла является результатом их "раскачивания"
электромагнитным полем световой волны. При увеличении интенсивности света (Ф)
должна увеличиваться энергия, передаваемая электроном металла, следовательно, должна
увеличиваться Vmax, а это противоречат 2-му закону фотоэффекта.
Так как по волновой теории энергия, передаваемая электромагнитным полем
пропорциональна интенсивности света (Ф), то свет любой; частоты, но достаточно
большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла, то есть красной
границы фотоэффекта не существовало бы, что противоречит 3-му закону фотоэффекта.
Внешний фотоэффект является безынерционным. А волновая теория не может
объяснить его безынерционность.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Выход был найден А.Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение
наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано на основе гипотезы М.Планка о
том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия
каждой такой порции определяется формулой E = hν, 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 hν 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. Наибольшая
кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон,
определяется законом сохранения энергии:
Следовательно,
эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.
Физический смысл закона: закон сохранения энергии в применении к фотоэффекту
Что же происходит с веществом, когда на него падает свет?
Мы знаем, что свет - это электромагнитное излучение, поток квантовых частиц (фотонов).
Когда электромагнитное излучение падает на металл, часть его отражается от
поверхности, а часть поглощается поверхностным слоем. При поглощении фотон отдаёт
электрону свою энергию. Получив эту энергию, электрон совершает работу и покидает
поверхность металла. И пластинка, и электрон имеют отрицательный заряд, поэтому они
отталкиваются, и электрон вылетает с поверхности.
Если же пластинка заряжена положительно, отрицательный электрон, выбитый с
поверхности, снова притянется ею и не покинет её поверхность.
Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить вcе три закона внешнего фотоэффекта.
1-й закон: каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число
вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности (Ф) света.
Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть
пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого
следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности
светового потока
2-й закон: Vmax ~ ν и т.к. Авых не зависит от Ф, то и Vmax не зависит от Ф
3-й закон: При уменьшении ν уменьшается Vmax и при ν = ν0 Vmax = 0, следовательно, hν0 =
Авых, следовательно,
т.е. существует минимальная частота, начиная с которой
возможен внешний фотоэффект.
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 в 1914 г. Р. Милликеном и дали хорошее согласие со
значением, найденным Планком. Эти измерения позволили также определить работу
выхода A:
где c – скорость света, λкр – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта.
У большинства металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт
(1 эВ = 1,602·10–19 Дж). В квантовой физике электрон-вольт часто используется в качестве
энергетической единицы измерения. Значение постоянной Планка , выраженное в
электрон–вольтах в секунду, равно
h = 4,136·10–15 эВ·с.
Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные элементы.
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.
Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и
поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или
световых квантов.
E = hν
- энергия фотона
IV.
Первичное закрепление(20 мин)
Решение задач №№1135,1137,1138,1140
№ 1135
При облучении алюминиевой пластины фотоэффект начинается при
наименьшей частоте 1,03 ПГЦ. Найдите работу выхода электронов из
алюминия (в эВ)
А-?
ν min=1,03ПГц=1,03×1015 Гц
h = 4,136·10–15 эВ·с.
А= 4,136·10–15× 1,03×1015 =4,26 (эВ)
Ответ: 4,26 эВ
№1137
Найти красную границу фотоэффекта для калия
ν min -?
А=2,2эВ
h = 4,136·10–15 эВ·с.
ν min =2,2: (4,136·10–15 ) =0,5×1015 (Гц)
Ответ: 0,5 ПГц
№1138
Возникнет ли фотоэффект в цинке под действием облучения, имеющего
длину волны 450 нм?
ν min -?
А=4,2эВ=4,2×1,6×10-19 Дж
h = 6,62·10–34 Дж·с.
= 295 нм˂450нм
фотоэффект наблюдаться не будет
Ответ: не будет
№1140.
Какую максимальную кинетическую энергию имеют фотоэлектроны при
облучении железа светом с длиной волны 200 нм? Красная граница
фотоэффекта для железа 288 нм.
Ек -?
h = 6,62·10–34 Дж·с.
= 288 нм
и
=200 нм
Ответ:1.88 эВ
V.Изучение нового материала (10 мин)
Виды фотоэффекта
Внешний- явление вырывания светом электронов с поверхности металла
Внутренний - явление передачи фотоном своей энергии отдельному электрону атомной
оболочки или нуклону ядра атома. Необходимые условия: частица должна быть
связанной, и энергия фотона должна превышать ее энергию связи. Внутренний
фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках (и в металлах тоже).
Нобелевские лауреаты
В решении Комитета о присуждении Нобелевской премии А.Эйнштейну в 1921 году
записано:
ALBERT EINSTEIN for his services to Theoretical Physics, and especially for his
discovery of the law of the photoelectric effect ("за его вклад в теоретическую физику и,
особенно, за его открытие закона фотоэффекта")
.
Зависимость задерживающего напряжения от частоты излучения, как мы видели, имеет
вид прямой линии, наклон которой определяется значением постоянной Планка. Измерив
этот наклон экспериментально для натрия, магния, меди и алюминия, Р.Милликен в 1914
г. с хорошей точностью вычислил значение постоянной Планка. Нобелевская премия
присуждена Милликену в 1923г.:
ROBERT ANDREWS MILLIKAN
for his work on the elementary charge of electricity
and on the photoelectric effect ("за его работы по элементарному электрическому заряду
и фотоэлектрическому эффекту").
Применение фотоэффекта
Все устройства, принцип действия которых основан на фотоэффекте, называются
фотоэлементами.
Первым в мире фотоэлементом стал прибор Столетова, созданный им для
проведения опытов по изучению фотоэффекта.
Простейшим фотоэлементом является вакуумный фотоэлемент. Его недостатки:
слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в
изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в
фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для
воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении
производственными процессами.
Существуют полупроводниковые фотоэлементы, и которых под действием света
происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при
автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в
цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах,
микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в
солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных
автоматических станциях.
Фотоэлементы широко используются в самых различных устройствах в автоматике
и телемеханике. Без фотоэлементов невозможно управление станками с числовым
программным управлением (ЧПУ), которые могут создавать детали по чертежам без
участия человека. С их помощью считывается звук с киноплёнки. Они входят в состав
различных контролирующих устройств, помогают остановить и заблокировать устройство
в нужный момент. С помощью фотоэлементов уличное освещение включается с
наступлением темноты и отключается на рассвете. Они помогают управлять турникетами
в метро и маяками на суше, опускают шлагбаум при приближении поезда к переезду. Их
используют в телескопах и солнечных батареях.
Фотоэффект используется в фотоэлектронных приборах, получивших
разнообразные применения в науке и технике. На фотоэффекте основано превращение
светового сигнала в электрический. Электрическое сопротивление полупроводника падает
при освещении; это используется для устройства фотосопротивлений. При освещении
области контакта различных полупроводников возникает фото-эдс, что позволяет
преобразовывать световую энергию в электрическую (фотография справа).
Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое
излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов
позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 году японские исследователи
создали новый тип полупроводникового прибора - фотоконденсатор, неразрывно
соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии.
С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под
действием света в фотографических материалах.
V.
Закрепление (10мин)
Решение задачи №1146(А.П.Рымкевич. Задачник для 10-11 классов) у доски
VI.
Самостоятельная работа (20 мин)
1 вариант -1134, 1141, 1143
2 вариант -1136, 1142, 1144
VIII. Итог урока, рефлексия (5 мин)
Информационные источники
1) http://www.fmclass.ru/phys.php?id=485f919b28c07#5 - физмат класс
2) http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter5/section/paragraph2/theory.htm
- открытая физика (часть 1)
3) http://bog5.in.ua/lection/quantum_optics_lect/lect2_quant.html
-
Phisical Bog
4) http://www.physbook.ru/index.php/A._%D0%A3%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%B
D%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%AD%D0%B9%D0%BD%D1%88%D
1%82%D0%B5%D0%B9%D0%BD%D0%B0
-
PHISBOOR.RU
5) http://ency.info/materiya-i-dvigenie/fotometriya/388-fotoeffekt - Школьная
энциклопедия
6) А.П.Рымкевич Физика. Задачник. 10-11 класс. Пособие для общеобразовательных
заведений – М., Дрофа, 2010
7) Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. Н.А.Парфентьевой Физика 11
класс: учебник для общеобразовательных учреждений (базовый и профильный
уровни) М., Просвещение, 2013 г.