Фотоефект
2-й семестр
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА
5. Хвильова й квантова оптика
УРОК 15/73
Тема. Фотоефект
Мета уроку: роз’яснити учням явище фотоефекту й зміст його законів.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань | 3 хв. | 1. Гіпотеза Планка. 2. Властивості фотонів. |
Демонстрації | 5 хв. | 1. Фотоефект на цинковій пластинці. 2. Відео-фрагменти фільму “Фотоефект”. |
Вивчення нового матеріалу | 25 | 1. Закони фотоефекту. 2. Пояснення фотоефекту за допомогою хвильової теорії світла. 3. Квантове пояснення фотоефекту. 4. Застосування фотоефекту. |
Закріплення вивченого матеріалу | 12 хв. | 1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі. |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Закони фотоефекту
Фотоефект було відкрито 1887 року Генріхом Герцом, однак перші експериментальні дослідження були виконані російським ученим О. Г. Столєтовим.
O Явище взаємодії світла з речовиною, що супроводжується випущенням електронів, називають фотоефектом.
Розрізняють
Численні експерименти й спостереження дозволили зробити висновок: явище фотоефекту практично безінерційне; інтенсивність фотоефекту залежить від роду металу, величини світлового потоку й спектрального складу випромінювання.
Закони фотоефекту були експериментально встановлені професором Московського університету О. Г. Столєтовим:
1). Число фотоелектронів, які щомиті вириваються з поверхні металу, прямо пропорційне інтенсивності світла.
2). Максимальна початкова швидкість фотоелектронів збільшується в разі збільшення частоти світла, що падає, і не залежить від інтенсивності світла.
3). Для кожної речовини існує максимальна довжина світлової хвилі (червона границя фотоефекту), за якої починається фотоефект. Опромінення речовини світловими хвилями більшої довжини фотоефекту не спричиняє.
Якщо перший закон фотоефект ще можна було пояснити, використовуючи класичну електромагнітну теорію світла, то наступні два закони прямо суперечили уявленням, що існували у той час. Знадобилося більше 20 років, щоб розгадати цю загадку.
2. Пояснення фотоефекту за допомогою хвильової теорії світла
Отримані дослідним шляхом закони фотоефекту не вдалося пояснити на основі електромагнітної хвильової теорії світла. З погляду цієї теорії електромагнітна хвиля, досягнувши поверхні металу, зумовлює вимушені коливання електронів, відриваючи їх від металу. Але тоді потрібен час для “розгойдування” електронів, і за малої освітленості металу повинне виникнути помітне запізнення між початком освітлення й моментом вильоту електронів, а фотоефект практично безінерційний.
Крім того, кінетична енергія електронів, що залишають метал, повинна залежати від амплітуди змушувальної сили, а значить, і від напруженості електричного поля в електромагнітній хвилі.
3. Квантове пояснення фотоефекту
1905 року Альберт Ейнштейн запропонував теорію, що давала пояснення відразу всієї сукупності експериментальних фактів про фотоефект. Розвинувши й поглибивши ідеї Планка, Ейнштейн дійшов висновку, що світло повинне не тільки випромінюватися й поглинатися, але також і поширюватися у вигляді окремих порцій енергії – квантів електромагнітного поля. Ці кванти інакше називають фотонами.
Ейнштейн уважав, що під час взаємодії з речовиною фотон поводиться подібно до частинки й передає свою енергію не речовині загалом і навіть не атому, а тільки окремим електронам. Щойно метал поглине фотон, енергія останнього E = hv передається вільному електрону. Вона витрачається на звільнення електрона з металу – на роботу виходу й на передання йому кінетичної енергії. При цьому енергія фотона передається електрону в металі тільки повністю, а сам фотон перестає існувати.
Рівняння Ейнштейна для фотоефекту: 
де hv – енергія поглиненого фотона; A – робота виходу електрона з металу; 
– кінетична енергія, з якою електрон залишає поверхню металу.
Рівняння Ейнштейна можна розглядати як вираження закону збереження енергії для одиничного акту взаємодії фотона з електроном. Воно дозволяє пояснити всі закони фотоефекту.
Кінетична енергія фотона може бути виражена так:
А його швидкість: 
Звідси випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектрона, а, отже, і його максимальна початкова швидкість залежать від частоти світла й не залежать від інтенсивності світла.
За рівності hv = A швидкість фотоелектрона й кінетична енергія дорівнюють нулю. У цьому випадку електрон ніби “випадає” з металу з нульовою швидкістю. Спостерігаємо поріг фотоефекту:
Інтенсивність світла прямо пропорційна числу фотонів nф і енергії кожного з них hv. Кожного фотона цілком поглинає тільки один електрон. Тому кількість вирваних світлом фотоелектронів, а отже, і фотострум насичення пропорційні nф, тобто інтенсивності світла (перший закон фотоефекту).
4. Застосування фотоефекту
Явище фотоефекту широко застосовують в науці й техніці: воно дозволяє здійснити безпосереднє перетворення енергії світла в електричну енергію. Прилади, в основі принципу дії яких лежить явище фотоефекту, називають фотоелементами. У фотоелементах енергія світла керує енергією електричного струму або перетворюється в неї.
Фотоелементи використовують для зчитування інформації (зображення, звуку або даних) з оптичних дисків (компакт-дисків), які є сьогодні однією з найпоширеніших форм запису й зберігання інформації.
Важливим застосуванням фотоелементів є використання їх для виготовлення сонячних батарей на космічних кораблях. Сонячні батареї використовують сьогодні і як джерело електричного струму в спекотних місцевостях: таку батарею розміщають на даху будинку, а електроенергія, яку вона дає, живить кондиціонери, що охолоджують приміщення. Таким чином, сонячна енергія, коли її виявляється в надлишку, сама ж допомагає послабити небажані наслідки цього надлишку.
Застосування фотоефекту в техніці: кіно (відтворення звуку); фототелеграф; фотометрія (для вимірювання сили світла, яскравості, освітленості); керування виробничими процесами.
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. Чим відрізняється зовнішній фотоефект від внутрішнього фотоефекту?
2. Які факти свідчать про наявність у світла корпускулярних властивостей?
3. Які факти свідчать про наявність у світла хвильових властивостей?
Другий рівень
1. Які закони фотоефекту не можна пояснити на основі хвильової теорії світла?
2. Чому, відповідно до класичної електродинаміки, хвилі повинні були б відібрати в частинок всю енергію теплового руху?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. Чому за частот, менших від червоної границі, фотоефект не спостерігається?
2. Чому для різних речовин червона границя фотоефекту має різні значення?
3. У чому розбіжності фотоефекту в напівпровідниках і в металах?
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. Робота виходу електронів з калію дорівнює 3,55 – 10-19 Дж. Визначте довжину хвилі червоної границі фотоефекту.
2. Цинкова пластинка освітлюється монохроматичним світлом довжиною хвилі 300 нм. Якого максимального потенціалу набуває пластина? Червона границя фотоефекту для цинку дорівнює 332 нм.
3. Робота виходу електронів з калію дорівнює 2,25 еВ. З якою швидкістю вилітають електрони з калію, якщо його освітили монохроматичним світлом довжиною хвилі 365 нм?
4. Якою найменшою напругою повністю втримуються електрони, вирвані ультрафіолетовими променями довжиною хвилі 0,1 мкм із вольфрамової пластинки? Робота виходу для вольфраму 4,5 еВ.
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
– Явище взаємодії світла з речовиною, що супроводжується випусканням електронів, називають фотоефектом.
– Закони фотоефекту:
1. Число фотоелектронів, які щомиті вириваються з поверхні металу, прямо пропорційне інтенсивності світла.
2. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів збільшується в разі збільшення частоти падаючого світла й не залежить від інтенсивності світла.
3. Для кожної речовини існує максимальна довжина світлової хвилі (червона границя фотоефекту), за якої починається фотоефект. Опромінення речовини світловими хвилями більшої довжини фотоефекту не спричиняє.
– Рівняння Ейнштейна для фотоефекту: 
Домашнє завдання
1. Підр-1: § 48; підр-2: § 23 (п. 1, 2).
2. Зб.:
Рів1 № 15.3; 15.5; 15.11; 15.13.
Рів2 № 15.16; 15.18; 15.19; 15.20.
Рів3 № 15.32, 15.33; 15.34; 15.35.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...