KNOWLEDGE HYPERMARKET


Фотоелектричний ефект. Закони фотоефекту. Кванти світла. Рівняння фотоефекту
 
(7 промежуточных версий не показаны.)
Строка 1: Строка 1:
'''[[Гіпермаркет Знань - перший в світі!|Гіпермаркет Знань]]>>[[Фізика і астрономія|Фізика і астрономія]]>>[[Фізика 11 клас|Фізика 11 клас]]>> Фізика: Фотоелектричний ефект. Закони фотоефекту. Кванти світла. Рівняння фотоефекту'''  
'''[[Гіпермаркет Знань - перший в світі!|Гіпермаркет Знань]]>>[[Фізика і астрономія|Фізика і астрономія]]>>[[Фізика 11 клас|Фізика 11 клас]]>> Фізика: Фотоелектричний ефект. Закони фотоефекту. Кванти світла. Рівняння фотоефекту'''  
 +
<br> <metakeywords>Фізика, клас, урок, на тему, 11 клас, Фотоелектричний ефект, Закони фотоефекту, Кванти світла, Рівняння фотоефекту.</metakeywords>ФОТОЕЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ. ЗАКОНИ ФОТОЕФЕКТУ. КВАНТИ СВІТЛА. РІВНЯННЯ ФОТОЕФЕКТУ  
<br> <metakeywords>Фізика, клас, урок, на тему, 11 клас, Фотоелектричний ефект, Закони фотоефекту, Кванти світла, Рівняння фотоефекту.</metakeywords>ФОТОЕЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ. ЗАКОНИ ФОТОЕФЕКТУ. КВАНТИ СВІТЛА. РІВНЯННЯ ФОТОЕФЕКТУ  
 +
<br> Наприкінці XIX ст. фізика досягла вершини свого розквіту — вона спроможна була пояснити більшість явищ реального фізичного світу. Закономірності механічного руху успішно описувала класична механіка Ньютона, теплові явища і процеси докладно пояснювали молекулярно-кінетична теорія і термодинаміка, електромагнітна теорія Максвелла не залишила «білих плям» в електродинаміці і вичерпно пояснила поширення світла як електромагнітного випромінювання.  
<br> Наприкінці XIX ст. фізика досягла вершини свого розквіту — вона спроможна була пояснити більшість явищ реального фізичного світу. Закономірності механічного руху успішно описувала класична механіка Ньютона, теплові явища і процеси докладно пояснювали молекулярно-кінетична теорія і термодинаміка, електромагнітна теорія Максвелла не залишила «білих плям» в електродинаміці і вичерпно пояснила поширення світла як електромагнітного випромінювання.  
 +
На чистому небосхилі класичної фізики було лише дві хмарки, які, однак, згодом викликали грозу. Це: 1) неузгодженість експериментальних результатів теплового випромінювання з теоретичним обґрунтуванням цих явищ; 2) неможливість пояснення деяких явищ мікросвіту, дослідження яких у той час активізувалися, з позицій класичних уявлень про будову речовини. Крім того, на початку XX ст. А. Ейнштейн створив теорію відносності, де дав універсальне тлумачення просторово-часових властивостей фізичного світу на підставі їх єдності й універсальності.  
На чистому небосхилі класичної фізики було лише дві хмарки, які, однак, згодом викликали грозу. Це: 1) неузгодженість експериментальних результатів теплового випромінювання з теоретичним обґрунтуванням цих явищ; 2) неможливість пояснення деяких явищ мікросвіту, дослідження яких у той час активізувалися, з позицій класичних уявлень про будову речовини. Крім того, на початку XX ст. А. Ейнштейн створив теорію відносності, де дав універсальне тлумачення просторово-часових властивостей фізичного світу на підставі їх єдності й універсальності.  
 +
''Сучасна фізика зароджувалася на межі XIX і XX ст. Вона виникала на фундаменті класичної фізики, але переглянулаїї основи. Теорія відносності пояснювала фізичні явища з позицій єдності простору і часу. Квантова фізика запропонувала розглядати природу взаємодії з погляду її дискретності, квантування''  
''Сучасна фізика зароджувалася на межі XIX і XX ст. Вона виникала на фундаменті класичної фізики, але переглянулаїї основи. Теорія відносності пояснювала фізичні явища з позицій єдності простору і часу. Квантова фізика запропонувала розглядати природу взаємодії з погляду її дискретності, квантування''  
 +
Наприкінці XIX — на початку XX ст. фізики отримали низку вагомих результатів, які спонукали їх переглянути основи класичної фізики і потребували іншого теоретичного обґрунтування та пояснення досліджених явищ. Це були досліди з вивчення залежності довжини хвилі випромінювання абсолютно чорного тіла від температури, виконані англійськими фізиками Дж. Релеєм і Дж. Джинсом; відкриття радіоактивності французьким ученим А. Беккерелем і спостереження А'-променів німецьким дослідником В. К. Рентгеном, названі згодом на його честь рентгенівськими; відкриття електрона англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном і фундаментальні досліди щодо будови атома, виконані Е. Резерфордом.  
Наприкінці XIX — на початку XX ст. фізики отримали низку вагомих результатів, які спонукали їх переглянути основи класичної фізики і потребували іншого теоретичного обґрунтування та пояснення досліджених явищ. Це були досліди з вивчення залежності довжини хвилі випромінювання абсолютно чорного тіла від температури, виконані англійськими фізиками Дж. Релеєм і Дж. Джинсом; відкриття радіоактивності французьким ученим А. Беккерелем і спостереження А'-променів німецьким дослідником В. К. Рентгеном, названі згодом на його честь рентгенівськими; відкриття електрона англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном і фундаментальні досліди щодо будови атома, виконані Е. Резерфордом.  
 +
У 1900 р. німецький фізик Макс Планк, пояснюючи розподіл енергії теплового випромінювання, висунув гіпотезу, що ''енергія випромінюється не безперервно, а певними дискретними порціями — квантами.'' Він вважав, що енергія такого кванта пропорційна частоті випромінювання (є ~ v). Завдяки такому припущенню М. Планк отримав формулу розподілу енергії теплового випромінювання, яка узгоджувалася з експериментальними даними в усьому інтервалі температур — від низьких до високих.  
У 1900 р. німецький фізик Макс Планк, пояснюючи розподіл енергії теплового випромінювання, висунув гіпотезу, що ''енергія випромінюється не безперервно, а певними дискретними порціями — квантами.'' Він вважав, що енергія такого кванта пропорційна частоті випромінювання (є ~ v). Завдяки такому припущенню М. Планк отримав формулу розподілу енергії теплового випромінювання, яка узгоджувалася з експериментальними даними в усьому інтервалі температур — від низьких до високих.  
 +
[[Image:30216.jpg]]  
[[Image:30216.jpg]]  
 +
Увівши коефіцієнт пропорційності h, названий сталою Планка, можна обчислити квант енергії: <br>  
Увівши коефіцієнт пропорційності h, названий сталою Планка, можна обчислити квант енергії: <br>  
 +
[[Image:3-82-1.jpg]]  
[[Image:3-82-1.jpg]]  
 +
Стала Планка — це фундаментальна фізична константа, що дорівнює  
Стала Планка — це фундаментальна фізична константа, що дорівнює  
 +
h = 6,626176 · 10<sup>-34</sup>Дж · с.  
h = 6,626176 · 10<sup>-34</sup>Дж · с.  
 +
''Гіпотеза М.Планка: теплове випромінювання здійснюється певними мінімальними порціями енергії — квантами. Квант енергії пропорційний частоті випромінювання: є = hv, де h — константа (стала Планка); v — частота випромінювання''<br>  
''Гіпотеза М.Планка: теплове випромінювання здійснюється певними мінімальними порціями енергії — квантами. Квант енергії пропорційний частоті випромінювання: є = hv, де h — константа (стала Планка); v — частота випромінювання''<br>  
 +
Так на межі XIX і XX ст. зародилася сучасна фізика, яка поглибила розуміння суті фізичного світу й усунула протиріччя, що існували в класичній фізиці. Сучасну фізику інколи називають квантовою, підкреслюючи тим самим дискретний характер опису фізичних взаємодій і руху мікрочастинок.  
Так на межі XIX і XX ст. зародилася сучасна фізика, яка поглибила розуміння суті фізичного світу й усунула протиріччя, що існували в класичній фізиці. Сучасну фізику інколи називають квантовою, підкреслюючи тим самим дискретний характер опису фізичних взаємодій і руху мікрочастинок.  
 +
<br>  
<br>  
 +
ФОТОЕФЕКТ. РІВНЯННЯ ФОТОЕФЕКТУ  
ФОТОЕФЕКТ. РІВНЯННЯ ФОТОЕФЕКТУ  
 +
У 1887 році Г. Герц спостерігав явище, яке згодом стало поштовхом у розвитку квантових уявлень про природу світла. Під час опромінення ультрафіолетовим світлом негативно зарядженої пластинки відбувався сильніший електричний розряд, ніж за відсутності такого опромінення. Як з'ясувалося пізніше, це було проявом явища фотоефекту — ''виходу електронів з тіла в інше середовище або вакуум під дією електромагнітного випромінювання''. Цей вид фотоефекту називають зовнішнім, або фотоелектронною емісією.  
У 1887 році Г. Герц спостерігав явище, яке згодом стало поштовхом у розвитку квантових уявлень про природу світла. Під час опромінення ультрафіолетовим світлом негативно зарядженої пластинки відбувався сильніший електричний розряд, ніж за відсутності такого опромінення. Як з'ясувалося пізніше, це було проявом явища фотоефекту — ''виходу електронів з тіла в інше середовище або вакуум під дією електромагнітного випромінювання''. Цей вид фотоефекту називають зовнішнім, або фотоелектронною емісією.  
 +
Фотоефект є результатом трьох послідовних процесів: поглинання фотона, внаслідок чого енергія одного електрона стає більшою за середню; руху цього електрона до поверхні тіла; виходу його за межі тіла в інше середовище через поверхню поділу.  
Фотоефект є результатом трьох послідовних процесів: поглинання фотона, внаслідок чого енергія одного електрона стає більшою за середню; руху цього електрона до поверхні тіла; виходу його за межі тіла в інше середовище через поверхню поділу.  
 +
-
У 1888—1889 р. це явище докладно вивчав російський учений О. Г. Столєтов (1839— 1896). Він виготовив конденсатор, одна з обкладок якого С була сітчастою, й увімкнув його в електричне коло з гальванометром (мал. 6.1).
+
У 1888—1889 р. це явище докладно вивчав російський учений О. Г. Столєтов (1839— 1896). Він виготовив конденсатор, одна з обкладок якого С була сітчастою, й увімкнув його в електричне коло з гальванометром (мал. 6.1).  
 +
-
[[Image:30220.jpg]]
+
[[Image:30220.jpg]]  
 +
Коли на негативно заряджену цинкову обкладку Р падає ультрафіолетове світло, у колі виникає струм, який фіксує гальванометр. Якщо джерело струму Е увімкнути протилежно (обкладку Р приєднати до позитивного полюса), то струм у колі не йтиме. За допомогою потенціометра R напругу на конденсаторі можна змінювати.  
Коли на негативно заряджену цинкову обкладку Р падає ультрафіолетове світло, у колі виникає струм, який фіксує гальванометр. Якщо джерело струму Е увімкнути протилежно (обкладку Р приєднати до позитивного полюса), то струм у колі не йтиме. За допомогою потенціометра R напругу на конденсаторі можна змінювати.  
 +
Вивчивши за допомогою такої установки залежність сили струму від частоти хвилі світла, його інтенсивності, інших характеристик випромінювання, О. Г. Столєтов установив три закони фотоефекту:  
Вивчивши за допомогою такої установки залежність сили струму від частоти хвилі світла, його інтенсивності, інших характеристик випромінювання, О. Г. Столєтов установив три закони фотоефекту:  
 +
1) число електронів, що вилітають із поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання, пропорційне його інтенсивності;<br>У 1888 р. німецький фізик В.Гальвакс встановив, що під дією світла металева пластинка заряджається позитивно  
1) число електронів, що вилітають із поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання, пропорційне його інтенсивності;<br>У 1888 р. німецький фізик В.Гальвакс встановив, що під дією світла металева пластинка заряджається позитивно  
 +
2) для кожної речовини залежно від її температури і стану поверхні існує мінімальна частота світла VQ, за якої ще можливий зовнішній фотоефект;  
2) для кожної речовини залежно від її температури і стану поверхні існує мінімальна частота світла VQ, за якої ще можливий зовнішній фотоефект;  
 +
3) максимальна кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти опромінення і не залежить від його інтенсивності.  
3) максимальна кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти опромінення і не залежить від його інтенсивності.  
 +
При поясненні цих висновків на основі хвильової теорії виникли протиріччя між її положеннями й одержаними результатами. Це змусило вчених шукати інше тлумачення механізму поглинання світлового випромінювання. З цією метою А. Ейнштейн застосував квантові уявлення про природу світла і на їх основі вивів рівняння фотоефекту.  
При поясненні цих висновків на основі хвильової теорії виникли протиріччя між її положеннями й одержаними результатами. Це змусило вчених шукати інше тлумачення механізму поглинання світлового випромінювання. З цією метою А. Ейнштейн застосував квантові уявлення про природу світла і на їх основі вивів рівняння фотоефекту.  
 +
Як відомо, для того щоб електрон покинув тверде тіло або рідину, він має виконати роботу виходу A<sub>0</sub>, тобто подолати енергетичний бар'єр взаємодії з атомами і молекулами, які утримують його всередині тіла. За квантовою теорією поглинання світла, це передавання фотоном усієї своєї енергії мікрочастинкам речовини. Отже, фотоефект може відбутися лише за умови, що фотон має енергію більшу за роботу виходу (hv &gt; A<sub>0</sub>); якщо ж hv &lt; А<sub>0</sub>, ТО фотоефект неможливий. Якщо енергія фотона, передана електрону внаслідок поглинання світла, більша за роботу виходу, то електрон набуває кінетичної енергії.  
Як відомо, для того щоб електрон покинув тверде тіло або рідину, він має виконати роботу виходу A<sub>0</sub>, тобто подолати енергетичний бар'єр взаємодії з атомами і молекулами, які утримують його всередині тіла. За квантовою теорією поглинання світла, це передавання фотоном усієї своєї енергії мікрочастинкам речовини. Отже, фотоефект може відбутися лише за умови, що фотон має енергію більшу за роботу виходу (hv &gt; A<sub>0</sub>); якщо ж hv &lt; А<sub>0</sub>, ТО фотоефект неможливий. Якщо енергія фотона, передана електрону внаслідок поглинання світла, більша за роботу виходу, то електрон набуває кінетичної енергії.  
 +
''Мінімальну частоту v<sub>0 </sub>(або максимальну довжину хвилі [[Image:1-19-1.jpg]]<sub>0</sub>) випромінювання, яке ще викликає зовнішній фотоефект, називають червоною межею фотоефекту''  
''Мінімальну частоту v<sub>0 </sub>(або максимальну довжину хвилі [[Image:1-19-1.jpg]]<sub>0</sub>) випромінювання, яке ще викликає зовнішній фотоефект, називають червоною межею фотоефекту''  
 +
''Фотоелектрони — це електрони, вибиті з поверхні тіла внаслідок фотоефекту''  
''Фотоелектрони — це електрони, вибиті з поверхні тіла внаслідок фотоефекту''  
 +
''Фізичний зміст роботи виходу в металів полягає в тому, що це мінімальна енергія, потрібна для виходу електрона з тіла у вакуум. Тому, крім хімічної природи металу, вона істотно залежить від стану поверхні тіла''<br>  
''Фізичний зміст роботи виходу в металів полягає в тому, що це мінімальна енергія, потрібна для виходу електрона з тіла у вакуум. Тому, крім хімічної природи металу, вона істотно залежить від стану поверхні тіла''<br>  
 +
За законом збереження енергії:  
За законом збереження енергії:  
 +
[[Image:3-83.jpg]]  
[[Image:3-83.jpg]]  
 +
Це співвідношення називають рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту. За пояснення законів зовнішнього фотоефекту А. Ейнштейн у 1922 р. був удостоєний Нобелівської премії.  
Це співвідношення називають рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту. За пояснення законів зовнішнього фотоефекту А. Ейнштейн у 1922 р. був удостоєний Нобелівської премії.  
 +
Отже, обгрунтування явища фотоефекту на основі квантових уявлень про природу світла стало переконливим доказом корпускулярних властивостей електромагнітного випромінювання і започаткувало розвиток квантової фізики.  
Отже, обгрунтування явища фотоефекту на основі квантових уявлень про природу світла стало переконливим доказом корпускулярних властивостей електромагнітного випромінювання і започаткувало розвиток квантової фізики.  
 +
''Приклад. ''Чи відбудеться фотоефект у разі опромінення цинкової пластинки ультрафіолетовим світлом довжиною хвилі 200 нм? Яку максимальну швидкість можуть мати фотоелектрони при цьому? Робота виходу електрона для цинку дорівнює&nbsp; 4,24 еВ.  
''Приклад. ''Чи відбудеться фотоефект у разі опромінення цинкової пластинки ультрафіолетовим світлом довжиною хвилі 200 нм? Яку максимальну швидкість можуть мати фотоелектрони при цьому? Робота виходу електрона для цинку дорівнює&nbsp; 4,24 еВ.  
 +
[[Image:3-84.jpg]]  
[[Image:3-84.jpg]]  
 +
За допомогою рівняння Ейнштейна можна пояснити всі три закони фотоефекту. Справді, інтенсивність монохроматичного випромінювання пропорційна числу фотонів, що падають на поверхню за 1 с: /~ ''Nф''. У свою чергу, від числа фотонів залежить число вибитих із поверхні тіла електронів N<sub>e</sub>. Отже, N<sub>е</sub> ~ /.  
За допомогою рівняння Ейнштейна можна пояснити всі три закони фотоефекту. Справді, інтенсивність монохроматичного випромінювання пропорційна числу фотонів, що падають на поверхню за 1 с: /~ ''Nф''. У свою чергу, від числа фотонів залежить число вибитих із поверхні тіла електронів N<sub>e</sub>. Отже, N<sub>е</sub> ~ /.  
 +
''За граничних умов червоної межі фотоефекту кінетична енергія електрона дорівнює нулю. ''Тому червона межа фотоефекту визначається лише роботою виходу і залежить від хімічної природи металу, наявності домішок і стану його поверхні:  
''За граничних умов червоної межі фотоефекту кінетична енергія електрона дорівнює нулю. ''Тому червона межа фотоефекту визначається лише роботою виходу і залежить від хімічної природи металу, наявності домішок і стану його поверхні:  
 +
[[Image:3-85.jpg]]  
[[Image:3-85.jpg]]  
 +
''Електрон-вольт (еВ) — це одиниця енергії, еквівалентна''  
''Електрон-вольт (еВ) — це одиниця енергії, еквівалентна''  
 +
''1,6 · 10<sup>-19</sup>Дж''  
''1,6 · 10<sup>-19</sup>Дж''  
 +
''Межу фотоефекту називають «червоною», тому що в разі зміщення довжини хвилі в бік червоного світла ([[Image:1-19-1.jpg]] &gt; [[Image:1-19-1.jpg]]<sub>0</sub>) фотоефект не відбувається'' <u></u> <br>  
''Межу фотоефекту називають «червоною», тому що в разі зміщення довжини хвилі в бік червоного світла ([[Image:1-19-1.jpg]] &gt; [[Image:1-19-1.jpg]]<sub>0</sub>) фотоефект не відбувається'' <u></u> <br>  
 +
 +
 +
[[Image:3-89-1.jpg]]&nbsp;<br>
 +
<br>  
<br>  
 +
-
''СВІТЛОВІ КВАНТИ. КОРПУСКУЛЯРНО-ХВИЛЬОВИЙ ДУАЛІЗМ СВІТЛА''<br>  
+
ЕФЕКТ КОМПТОНА<br>  
 +
-
У різні часи, пояснюючи природу світла, учені дотримувалися різних поглядів. Одні вважали світло електромагнітною хвилею й обгрунтовано доводили це, посилаючись на явища інтерференції, дифракції і поляризація світла. Інші, прихильники корпускулярної теорії, уявляли світло як потік частинок і також мали вагомі аргументи на підтвердження цього. Так, на підставі корпускулярних уявлень І. Ньютон пояснював прямолінійне поширення і дисперсію світла.<br>  
+
Значним кроком у підтвердженні квантової гіпотези було відкриття у 1922 р. американським ученим А. Комптоном явища, яке спостерігається під час розсіювання рентгенівського випромінювання в речовині.<br>  
 +
-
Водночас наприкінці ХIХ ст. завдяки дослідженням Т. Юнга і О. Ж. Френеля, а також поясненню природи світла за допомогою електромагнітної теорії Дж. Максвелла у фізиці склалося переконання, що хвильова теорія спроможна пояснити будь-яке світлове явище. Тому, коли А. Ейнштейн поширив ідею квантування енергії, висловлену М. Планком стосовно теплового випромінювання, на світлові явища, це було сприйнято неоднозначно.<br>
+
Спрямувавши рентгенівське проміння певної довжини хвилі&nbsp;[[Image:1-19-1.jpg]] на досліджувану речовину (мал. 6.2), учений зафіксував зростання довжини хвилі розсіяного випромінювання.  
 +
-
На той час обмежений характер хвильової теорії світла підтверджували також досліди Г. Герца і результати вивчення явища фотоефекту А. Г. Столєтовим. Пізніше, у 1922 р. квантова природа світлового випромінювання була експериментально доведена А. Комптоном під час спостереження розсіювання рентгенівського випромінювання в речовині.<br>
+
[[Image:30223.jpg]]
 +
-
Отже, численні дослідження світлових явищ демонструють неоднозначний прояв властивостей світла: в одних випадках вони засвідчують хвильову природу світла, в інших — виразніше проявляється його корпускулярна придода. Тобто світлу властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм. — воно має як безперервні, хвильові-властивості, так і дискретні, корпускулярні. <br>  
+
Це явище, назване ефектом Комптона, остаточно підтвердило корпускулярні властивості світла і стало переконливим доказом квантової гіпотези.<br>  
 +
-
''У класичній фізиці існували два погляди на природу світла хвильовий і корпускулярний<br>''
+
Рентгенівське випромінювання (Х-промені) електромагнітне випромінювання з меншою, ніж у видимого світла, довжиною хвилі<br> ([[Image:1-19-1.jpg]]~ 10<sup>-8</sup> ... 10<sup>-12</sup>м)
 +
-
''Ідею квантування енергії, висловлену М. Планком, А. Ейнштейн поширив на світлові явища<br>''  
+
Монохроматичні рентгенівські промені Р довжиною хвилі [[Image:1-19-1.jpg]], проходячи крізь діафрагму Д, потрапляють вузьким пучком на пластинку 77. Внаслідок розсіювання частина з них відхиляється на певний кут [[Image:1-19-2.jpg]]. За допомогою спеціального приладу — спектрографа С можна виміряти кут відхилення&nbsp;[[Image:1-19-2.jpg]] і довжину хвилі [[Image:1-19-1.jpg]]' розсіяного рентгенівського випромінювання.<br>Досліди Комптона показали, що розсіяне рентгенівське проміння має більшу довжину хвилі, ніж падаюче: [[Image:1-19-1.jpg]]' &gt; [[Image:1-19-1.jpg]]. Він встановив, що їх різниця Δ [[Image:1-19-1.jpg|14x20px|1-19-1.jpg]] = [[Image:1-19-1.jpg]]' -&nbsp;[[Image:1-19-1.jpg]] не залежить від довжини хвилі падаючого проміння і хімічної природи речовини, що розсіює випромінювання:
 +
-
''Гіпотезу про подвійну природу світла — корпускулярно-хвильовий дуалізм — уперше висловив А. Ейнштейн''<br>  
+
[[Image:3-90.jpg]]<br>  
 +
-
Загалом корпускулярно-хвильовий дуалізм властивий не лише світлу, а й усім мікрочастинкам. Так, потік електронів, шо падає на кристал, утворює дифракційну картину, яку можна пояснити лише на основі хвильових уявлень. Тобто електрони, які є елементарними частинками, корпускулами, за певних умов виявляють хвильові властивості. Такі уявлення про матерію покладено в основу квантової теорії. Вона, зокрема, передбачає, що кожній рухомій мікрочастинці, відповідає хвиля де Бройля:
+
де [[Image:1-19-1.jpg]]<sub>k</sub> — стала, яку називають ''комптонівською довжиною хвилі''.<br>
 +
-
[[Image:3-86.jpg]]
+
Класична хвильова теорія розсіювання неспроможна була пояснити ефект Комптона, оскільки вона стверджувала, що довжина хвилі розсіяного світла не повинна змінюватися, адже під дією випромінювання в речовині виникають електромагнітні хвилі тієї самої частоти, що й падаючого світла.<br>
 +
-
де р — імпульс тіла; h — стала Планка.<br>  
+
Рентгенівські промені розсіюються речовиною таким чином, що довжина хвилі розсіяного випромінювання [[Image:1-19-1.jpg]]' більша за довжину хвилі падаючого рентгенівського випромінювання [[Image:1-19-1.jpg]]<br>  
 +
-
Корпускулярну природу світла в сучасній фізиці відтворює поняття світлового кванта, зміст якого окреслив А. Ейнштейн, поширивши гіпотезу Планка на світлове випро-мінювання. За його тлумаченням, світловий квант — це мінімальна порція світлової енергії, локалізована в частинці, яка названа фотоном. Отже, світло з погляду квантової теорії — це потік світлових квантів — фотонів, що рухаються зі швидкістю світла с(3&nbsp;· 10<sup>8</sup> <sup><u>м</u></sup><sub>с</sub>).
+
[[Image:1-19-1.jpg]]<sub>к</sub> = 2,43 · 10<sup>-12</sup>м
 +
-
Фотону як кванту випромінювання за гіпотезою Планка відповідає енергія ''є = hv''. Як елементарна частинка він має імпульс р = mс. З урахуванням формули взаємозв'язку маси та енергії є = mс<sup>2</sup>, його імпульс дорівнює:
+
Це явище теоретично обґрунтував А. Комптон на основі квантової гіпотези. Він припустив, що часткове розсіювання фотонів відбувається на вільних або слабко зв'язаних електронах за законами пружного удару. Під час співудару падаючий фотон передає частину свого імпульсу електрону (мал. 6.3).
 +
-
[[Image:3-87.jpg]]  
+
[[Image:30224.jpg]]  
 +
-
де / — довжина світлової хвилі.<br>  
+
За законом збереження імпульсу:<br>  
 +
-
''Довжина хвилі де Бройля електрона, що рухається зі швидкістю<br> 500 <sup><u>м</u></sup><sub>с</sub>, дорівнює&nbsp;[[Image:1-19-1.jpg]] = 1,5 • 10<sup>-6</sup> м = 1,5 мкм''
+
[[Image:3-91.jpg]]  
 +
-
''Фотон — це елементарна частинка, що характеризує квант світла hv''
+
звідси р<sub>ф</sub> &lt; р<sub>о</sub>, або&nbsp;[[Image:3-92.jpg]] тобто&nbsp;[[Image:1-19-1.jpg]]'&nbsp; &gt; [[Image:1-19-1.jpg]], що й було одержано в експерименті.<br>
 +
-
Фотон — особлива&nbsp; елементарна&nbsp; частинка. Він не має маси спокою (m<sub>o </sub>=&nbsp; 0), тобто його не можна зупинити. Справді, якби була така система відліку, в якій він не рухався б, то в такій системі втрачає сенс саме поняття світла, адже не відбувається його поширення.<br>  
+
Установлено, що ефект Комптона не спостерігається в діапазоні видимого світла або ультрафіолетового випромінювання, де має місце явище фотоефекту. Це пояснюють тим, що енергія світлового кванта сумірна з енергією зв'язку електрона в атомі, і тому фотон може поглинатися атомом, зумовлюючи фотоефект. Однак явище розсіювання не спостерігатиметься, оскільки електрон не можна вважати вільним або слабко зв'язаним.<br>  
 +
-
Маса фотона залежить від довжини хилі електромагнітного випромінювання: [[Image:3-88.jpg]]. Так, для видимого світла ([[Image:1-19-1.jpg]]<sub>с</sub> = 6 · 10<sup>-7</sup> м) його маса дорівнює 3,7&nbsp;· 10<sup>-36</sup> кг, а для рентгенівського випромінювання {[[Image:1-19-1.jpg]]<sub>р</sub> = 10<sup>-9</sup> м) — 2,2&nbsp;· 10<sup>-33</sup> кг.<br>
+
''Енергія фотона оптичного діапазону знаходиться в межах''
 +
-
Формула (6.2) відтворює наявність у світла одночасно і хвильових, і корпускулярних властивостей. Адже імпульс фотона як динамічний параметр мікрочастинки речовини виражається через частоту або довжину хвилі — величини, властиві випромінюванню. Як з'ясувалося згодом, такий корпускулярно-хвильовий дуалізм притаманний усім без винятку частинкам речовини, але найістотніше їхні хвильові властивості проявляються у мікросвіті, особливо в елементарних частинок.<br>  
+
''З&nbsp;· 10<sup>-19</sup> — 40 · 10<sup>-19</sup> Дж''
 +
-
''Маса фотона рентгенівського випромінювання менша за масу електрона (m<sub>е</sub> = 9,1&nbsp;· 10<sup>-31</sup> кг) майже в 500 разів<br>''  
+
''або 2—25 еВ.''  
 +
-
''Хвильова картина спостерігається, коли мають місце потужні потоки мікрочастинок протягом досить тривалого часу. Коли ж відбувається окремий акт взаємодії мікрочастинки з речовиною, то до уваги беруться її корпускулярні властивості''''<br>'''''  
+
''Енергія рентгенівського фотона становить понад 250 еВ''  
 +
-
Квантові уявлення про природу електромагнітного випромінювання дають змогу пояснити низку явищ, де хвильова теорія виявляється безпорадною. Зокрема, це стосується фотоефекту, люмінесценції, фотохімічних реакцій, розсіяння рентгенівського випромінювання в речовині тощо.<br>  
+
Рентгенівський фотон має набагато більшу енергію, яка перевищує енергію зв'язку електрона в атоміг і тому електрон можна вважати вільним. Його зіткнення з фотоном відбувається за законами пружного удару, і тому відбувається розсіювання променів, яке супроводжується збільшенням довжини хвилі випромінювання.<br>  
 +
-
<u>ЗАПИТАННЯ</u><br>1. У чому полягає суть явища фотоефекту?<br>2. Послідовністю яких фізичних процесів є фотоефект?<br>3. Чому явище фотоефекту спостерігається лише за певного приєднання джерела струму?<br>4. Поясніть суть кожного із законів фотоефекту.<br>5. За яких умов може відбуватися фотоефект?<br>6. Чому червона межа фотоефекту залежить від хімічної природи металу? Що ще впливає на її значення? <br> 7. Які два вчення про природу світла існують у фізиці? Які світлові явища підтверджують їх?&nbsp;&nbsp; <br>8. У чому полягає суть гіпотези Планка?<br>9. Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм світла?<br>10. У чому полягає суть квантування електромагнітного випромінювання?<br>11. Схарактеризуйте фотон як світловий квант.  
+
<br>ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ ФОТОЕФЕКТУ
 +
 +
 
 +
Різні прояви явища фотоефекту знайшли широке практичне застосування в техніці. Зокрема, у напівпровідників було виявлено також внутрішній фотоефект, який проявляється у зростанні електропровідності та виникненні ЕРС під час їх опромінення.
 +
 +
 
 +
''Фотопровідність — зростання електропровідності напівпровідників під дією світла''<br>
 +
 +
 
 +
<span style="font-style: italic;"> </span>рухомих носіїв заряду (електронів і дірок) під дією електромагнітного випромінювання. Фотон, поглинаючись напівпровідником, віддає електронам усю свою енергію; внаслідок цього вони можуть стати вільними і збільшиться число електронів провідності й дірок (так звана власна фотопровідність). Отже, фотопровідність напівпровідників зростає пропорційно інтенсивності опромінення — чим вона більша, тим більший електричний струм. Вона також залежить від частоти випромінювання, проте характер цього зв'язку складніший. Ці властивості напівпровідників використовують у фоторезисторах і фотодіодах.
 +
 +
 
 +
Фоторезистор — це напівпровідниковий прилад (мал. 6.4),
 +
 +
 
 +
[[Image:05245-1.jpg]]
 +
 +
 
 +
опір якого змінюється залежно від його освітленості: чим більша сила світла, що на нього падає, тим менший його опір. Адже під дією світла у напівпровіднику утворюються додаткові носії електричного заряду — пара «електрон—дірка», які збільшують провідність матеріалу, а отже, зменшують його опір.
 +
 +
 
 +
У напівпровідникових фотодіодах (мал. 6.5),
 +
 +
 
 +
[[Image:30226.jpg]]
 +
 +
 
 +
які увімкнені в коло в запірному напрямі р-и-переходу, під дією оптичного випромінювання виникає однобічна провідність. Це пояснюють тим, що внаслідок опромінення в напівпровідниках зростає концентрація електронів і дірок. Під дією електричного поля неосновні носії заряду (електрони в напівпровіднику р-типу і дірки в напівпровіднику ''п''-типу) легко долають запірний шар ''р-п''-переходу і в колі виникає струм.
 +
 +
 
 +
Фоторезистори і фотодіоди широко використовують у засобах автоматики, де потрібно враховувати зміну світлового потоку, наприклад, в охоронних системах, пропускних турнікетах метрополітену, пристроях відтворення звуку.
 +
 +
 
 +
Під дією світла в напівпровідниках може виникати ''фотоЕРС,'' зумовлена просторовим розподілом носіїв заряду, що з'являються у напівпровіднику внаслідок нерівномірного поглинання випромінювання (мал. 6.6).
 +
 +
 
 +
[[Image:15465.jpg]]
 +
 +
 
 +
Концентрація носіїв заряду поблизу грані /, що освітлюється, набагато вища, ніж біля протилежної, затемненої грані 2. Електрони і дірки дифундують від грані / до грані 2, проте через неоднакову їх рухливість в об'ємі напівпровідника відбувається перерозподіл заряду, який створює електричне поле Е. Наявність електричного поля підтримує різницю потенціалів, внаслідок чого існує фотоЕРС.
 +
 +
 
 +
Утворення фотоЕРС використовують у різних приладах, призначених для вимірювання потужності випромінювання, сонячних батареях, які застосовують у космічній техніці тощо.
 +
 +
 
 +
Останнім часом в електронних пристроях і засобах сигналізації широко використовують фотоелементи. В основу їх дії покладено властивість фотокатода здійснювати емісію електронів під впливом випромінювання. Фотокатод складається з тонкої плівки фотоемісійного матеріалу, нанесеної на пластинку, що опромінюється. Фотокатод разом з анодом вміщують у скляну колбу, з якої викачано повітря (вакуумний фотоелемент), або наповнюють її газом (газонаповнений фотоелемент).
 +
 +
 
 +
''ФотоЕРС — виникнення ЕРС унаслідок опромінення напівпровідників''
 +
 +
 
 +
В електричному колі фотоелемента, який не опромінюється (мал. 6.7),
 +
 +
 
 +
[[Image:30227.jpg]]
 +
 +
 
 +
електричний струм відсутній, оскільки між катодом і анодом немає вільних носіїв заряду. Під час освітлення фотокатода утворюються фотоелектрони, які прямують до анода, тобто в колі виникає електричний струм.
 +
 +
 
 +
Залежно від матеріалу фотокатода такий прилад може мати різні оптичні властивості.
 +
 +
 
 +
Отже, він може бути чутливим лише до певного діапазону хвиль, наприклад ультрафіо-летового випромінювання, і не реагувати на видиме світло. Є фотоелементи, які охоплюють весь спектр видимого світла або чутливі в інфрачервоному діапазоні хвиль. Цю здатність фотоелементів використовують у різних оптичних приладах, зокрема у приладах нічного бачення.
 +
 +
 
 +
<u>ЗАПИТАННЯ</u><br>1. У чому полягає суть явища фотоефекту?<br>2. Послідовністю яких фізичних процесів є фотоефект?<br>3. Чому явище фотоефекту спостерігається лише за певного приєднання джерела струму?<br>4. Поясніть суть кожного із законів фотоефекту.<br>5. За яких умов може відбуватися фотоефект?<br>6. Чому червона межа фотоефекту залежить від хімічної природи металу? Що ще впливає на її значення?<br>7. Чому ефект Комптона вважають остаточним підтвердженням квантової гіпотези світла?<br>8. У чому полягає суть досліду Комптона?<br>9. Чому хвильова теорія неспроможна пояснити ефект Комптона?<br>10. Чому ефект Комптона не спостерігається в оптичному діапазоні випромінювання?<br>11. Які прилади побудовані з використанням явища фотоефекту?<br>12. Що таке фотопровідність? Від чого вона залежить?<br>13. Поясніть дію фоторезистора або фотодіода як засобів автоматики.<br>14. Де застосовують фотоелементи, фотодіоди і фоторезистори?
 +
<br> ''Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф. Савченко, Фізика, 11 клас<br>Вислано читачами з інтернет-сайтів&nbsp;&nbsp; ''<br>  
<br> ''Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф. Савченко, Фізика, 11 клас<br>Вислано читачами з інтернет-сайтів&nbsp;&nbsp; ''<br>  
 +
<br> <sub>Планування уроків [[Фізика і астрономія|з фізики]], відповіді на [[Гіпермаркет Знань - перший в світі!|тести]], завдання та відповіді по класам, домашнє завдання та робота [[Фізика 11 клас|з фізики для 11 класу]]</sub>  
<br> <sub>Планування уроків [[Фізика і астрономія|з фізики]], відповіді на [[Гіпермаркет Знань - перший в світі!|тести]], завдання та відповіді по класам, домашнє завдання та робота [[Фізика 11 клас|з фізики для 11 класу]]</sub>  
 +
<br>  
<br>  
 +
  '''<u>Зміст уроку</u>'''
  '''<u>Зміст уроку</u>'''
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] конспект уроку і опорний каркас                       
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] конспект уроку і опорний каркас                       
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] презентація уроку  
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] [http://school.xvatit.com/index.php?title=%D0%9A%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F:%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D0%B5%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82._%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%B8_%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B5%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%83._%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B8_%D1%81%D0%B2%D1%96%D1%82%D0%BB%D0%B0._%D0%A0%D1%96%D0%B2%D0%BD%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D1%8F_%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B5%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%83._%D0%9F%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D1%86%D1%96%D1%8F_%D1%83%D1%80%D0%BE%D0%BA%D1%83 презентація уроку]
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] акселеративні методи та інтерактивні технології
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] акселеративні методи та інтерактивні технології
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] закриті вправи (тільки для використання вчителями)
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] закриті вправи (тільки для використання вчителями)
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] оцінювання  
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] оцінювання  
   
   
  '''<u>Практика</u>'''
  '''<u>Практика</u>'''
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] задачі та вправи,самоперевірка  
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] задачі та вправи,самоперевірка  
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] практикуми, лабораторні, кейси
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] практикуми, лабораторні, кейси
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] домашнє завдання  
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] домашнє завдання  
   
   
  '''<u>Ілюстрації</u>'''
  '''<u>Ілюстрації</u>'''
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] реферати
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] [http://school.xvatit.com/index.php?title=%D0%9A%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F:%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D0%B5%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82._%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%B8_%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B5%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%83._%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%B8_%D1%81%D0%B2%D1%96%D1%82%D0%BB%D0%B0._%D0%A0%D1%96%D0%B2%D0%BD%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D1%8F_%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B5%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%83._%D0%A0%D0%B5%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%B8 реферати]
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] фішки для допитливих
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] фішки для допитливих
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] шпаргалки
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] шпаргалки
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати
   
   
  '''<u>Доповнення</u>'''
  '''<u>Доповнення</u>'''
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] підручники основні і допоміжні  
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] підручники основні і допоміжні  
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] тематичні свята, девізи  
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] тематичні свята, девізи  
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] статті  
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] статті  
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] національні особливості
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] національні особливості
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] словник термінів                           
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] словник термінів                           
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] інше  
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] інше  
   
   
  '''<u>Тільки для вчителів</u>'''
  '''<u>Тільки для вчителів</u>'''
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] [http://xvatit.com/Idealny_urok.html ідеальні уроки]  
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] [http://xvatit.com/Idealny_urok.html ідеальні уроки]  
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] календарний план на рік  
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] календарний план на рік  
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] методичні рекомендації  
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] методичні рекомендації  
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] програми
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] програми
-
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px]] [http://xvatit.com/forum/ обговорення]
+
  [[Image:1236084776 kr.jpg|10x10px|1236084776 kr.jpg]] [http://xvatit.com/forum/ обговорення]
<br>  
<br>  
 +
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, [http://xvatit.com/index.php?do=feedback напишите нам].  
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, [http://xvatit.com/index.php?do=feedback напишите нам].  
 +
Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - [http://xvatit.com/forum/ Образовательный форум].<br>
Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - [http://xvatit.com/forum/ Образовательный форум].<br>

Текущая версия на 12:12, 22 апреля 2011

Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 11 клас>> Фізика: Фотоелектричний ефект. Закони фотоефекту. Кванти світла. Рівняння фотоефекту



ФОТОЕЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ. ЗАКОНИ ФОТОЕФЕКТУ. КВАНТИ СВІТЛА. РІВНЯННЯ ФОТОЕФЕКТУ



Наприкінці XIX ст. фізика досягла вершини свого розквіту — вона спроможна була пояснити більшість явищ реального фізичного світу. Закономірності механічного руху успішно описувала класична механіка Ньютона, теплові явища і процеси докладно пояснювали молекулярно-кінетична теорія і термодинаміка, електромагнітна теорія Максвелла не залишила «білих плям» в електродинаміці і вичерпно пояснила поширення світла як електромагнітного випромінювання.


На чистому небосхилі класичної фізики було лише дві хмарки, які, однак, згодом викликали грозу. Це: 1) неузгодженість експериментальних результатів теплового випромінювання з теоретичним обґрунтуванням цих явищ; 2) неможливість пояснення деяких явищ мікросвіту, дослідження яких у той час активізувалися, з позицій класичних уявлень про будову речовини. Крім того, на початку XX ст. А. Ейнштейн створив теорію відносності, де дав універсальне тлумачення просторово-часових властивостей фізичного світу на підставі їх єдності й універсальності.


Сучасна фізика зароджувалася на межі XIX і XX ст. Вона виникала на фундаменті класичної фізики, але переглянулаїї основи. Теорія відносності пояснювала фізичні явища з позицій єдності простору і часу. Квантова фізика запропонувала розглядати природу взаємодії з погляду її дискретності, квантування


Наприкінці XIX — на початку XX ст. фізики отримали низку вагомих результатів, які спонукали їх переглянути основи класичної фізики і потребували іншого теоретичного обґрунтування та пояснення досліджених явищ. Це були досліди з вивчення залежності довжини хвилі випромінювання абсолютно чорного тіла від температури, виконані англійськими фізиками Дж. Релеєм і Дж. Джинсом; відкриття радіоактивності французьким ученим А. Беккерелем і спостереження А'-променів німецьким дослідником В. К. Рентгеном, названі згодом на його честь рентгенівськими; відкриття електрона англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном і фундаментальні досліди щодо будови атома, виконані Е. Резерфордом.


У 1900 р. німецький фізик Макс Планк, пояснюючи розподіл енергії теплового випромінювання, висунув гіпотезу, що енергія випромінюється не безперервно, а певними дискретними порціями — квантами. Він вважав, що енергія такого кванта пропорційна частоті випромінювання (є ~ v). Завдяки такому припущенню М. Планк отримав формулу розподілу енергії теплового випромінювання, яка узгоджувалася з експериментальними даними в усьому інтервалі температур — від низьких до високих.


30216.jpg


Увівши коефіцієнт пропорційності h, названий сталою Планка, можна обчислити квант енергії:


3-82-1.jpg


Стала Планка — це фундаментальна фізична константа, що дорівнює


h = 6,626176 · 10-34Дж · с.


Гіпотеза М.Планка: теплове випромінювання здійснюється певними мінімальними порціями енергії — квантами. Квант енергії пропорційний частоті випромінювання: є = hv, де h — константа (стала Планка); v — частота випромінювання


Так на межі XIX і XX ст. зародилася сучасна фізика, яка поглибила розуміння суті фізичного світу й усунула протиріччя, що існували в класичній фізиці. Сучасну фізику інколи називають квантовою, підкреслюючи тим самим дискретний характер опису фізичних взаємодій і руху мікрочастинок.




ФОТОЕФЕКТ. РІВНЯННЯ ФОТОЕФЕКТУ


У 1887 році Г. Герц спостерігав явище, яке згодом стало поштовхом у розвитку квантових уявлень про природу світла. Під час опромінення ультрафіолетовим світлом негативно зарядженої пластинки відбувався сильніший електричний розряд, ніж за відсутності такого опромінення. Як з'ясувалося пізніше, це було проявом явища фотоефекту — виходу електронів з тіла в інше середовище або вакуум під дією електромагнітного випромінювання. Цей вид фотоефекту називають зовнішнім, або фотоелектронною емісією.


Фотоефект є результатом трьох послідовних процесів: поглинання фотона, внаслідок чого енергія одного електрона стає більшою за середню; руху цього електрона до поверхні тіла; виходу його за межі тіла в інше середовище через поверхню поділу.


У 1888—1889 р. це явище докладно вивчав російський учений О. Г. Столєтов (1839— 1896). Він виготовив конденсатор, одна з обкладок якого С була сітчастою, й увімкнув його в електричне коло з гальванометром (мал. 6.1).


30220.jpg


Коли на негативно заряджену цинкову обкладку Р падає ультрафіолетове світло, у колі виникає струм, який фіксує гальванометр. Якщо джерело струму Е увімкнути протилежно (обкладку Р приєднати до позитивного полюса), то струм у колі не йтиме. За допомогою потенціометра R напругу на конденсаторі можна змінювати.


Вивчивши за допомогою такої установки залежність сили струму від частоти хвилі світла, його інтенсивності, інших характеристик випромінювання, О. Г. Столєтов установив три закони фотоефекту:


1) число електронів, що вилітають із поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання, пропорційне його інтенсивності;
У 1888 р. німецький фізик В.Гальвакс встановив, що під дією світла металева пластинка заряджається позитивно


2) для кожної речовини залежно від її температури і стану поверхні існує мінімальна частота світла VQ, за якої ще можливий зовнішній фотоефект;


3) максимальна кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти опромінення і не залежить від його інтенсивності.


При поясненні цих висновків на основі хвильової теорії виникли протиріччя між її положеннями й одержаними результатами. Це змусило вчених шукати інше тлумачення механізму поглинання світлового випромінювання. З цією метою А. Ейнштейн застосував квантові уявлення про природу світла і на їх основі вивів рівняння фотоефекту.


Як відомо, для того щоб електрон покинув тверде тіло або рідину, він має виконати роботу виходу A0, тобто подолати енергетичний бар'єр взаємодії з атомами і молекулами, які утримують його всередині тіла. За квантовою теорією поглинання світла, це передавання фотоном усієї своєї енергії мікрочастинкам речовини. Отже, фотоефект може відбутися лише за умови, що фотон має енергію більшу за роботу виходу (hv > A0); якщо ж hv < А0, ТО фотоефект неможливий. Якщо енергія фотона, передана електрону внаслідок поглинання світла, більша за роботу виходу, то електрон набуває кінетичної енергії.


Мінімальну частоту v0 (або максимальну довжину хвилі 1-19-1.jpg0) випромінювання, яке ще викликає зовнішній фотоефект, називають червоною межею фотоефекту


Фотоелектрони — це електрони, вибиті з поверхні тіла внаслідок фотоефекту


Фізичний зміст роботи виходу в металів полягає в тому, що це мінімальна енергія, потрібна для виходу електрона з тіла у вакуум. Тому, крім хімічної природи металу, вона істотно залежить від стану поверхні тіла


За законом збереження енергії:


3-83.jpg


Це співвідношення називають рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту. За пояснення законів зовнішнього фотоефекту А. Ейнштейн у 1922 р. був удостоєний Нобелівської премії.


Отже, обгрунтування явища фотоефекту на основі квантових уявлень про природу світла стало переконливим доказом корпускулярних властивостей електромагнітного випромінювання і започаткувало розвиток квантової фізики.


Приклад. Чи відбудеться фотоефект у разі опромінення цинкової пластинки ультрафіолетовим світлом довжиною хвилі 200 нм? Яку максимальну швидкість можуть мати фотоелектрони при цьому? Робота виходу електрона для цинку дорівнює  4,24 еВ.


3-84.jpg


За допомогою рівняння Ейнштейна можна пояснити всі три закони фотоефекту. Справді, інтенсивність монохроматичного випромінювання пропорційна числу фотонів, що падають на поверхню за 1 с: /~ . У свою чергу, від числа фотонів залежить число вибитих із поверхні тіла електронів Ne. Отже, Nе ~ /.


За граничних умов червоної межі фотоефекту кінетична енергія електрона дорівнює нулю. Тому червона межа фотоефекту визначається лише роботою виходу і залежить від хімічної природи металу, наявності домішок і стану його поверхні:


3-85.jpg


Електрон-вольт (еВ) — це одиниця енергії, еквівалентна


1,6 · 10-19Дж


Межу фотоефекту називають «червоною», тому що в разі зміщення довжини хвилі в бік червоного світла (1-19-1.jpg > 1-19-1.jpg0) фотоефект не відбувається


3-89-1.jpg 




ЕФЕКТ КОМПТОНА


Значним кроком у підтвердженні квантової гіпотези було відкриття у 1922 р. американським ученим А. Комптоном явища, яке спостерігається під час розсіювання рентгенівського випромінювання в речовині.


Спрямувавши рентгенівське проміння певної довжини хвилі 1-19-1.jpg на досліджувану речовину (мал. 6.2), учений зафіксував зростання довжини хвилі розсіяного випромінювання.


30223.jpg


Це явище, назване ефектом Комптона, остаточно підтвердило корпускулярні властивості світла і стало переконливим доказом квантової гіпотези.


Рентгенівське випромінювання (Х-промені) — електромагнітне випромінювання з меншою, ніж у видимого світла, довжиною хвилі
(1-19-1.jpg~ 10-8 ... 10-12м)


Монохроматичні рентгенівські промені Р довжиною хвилі 1-19-1.jpg, проходячи крізь діафрагму Д, потрапляють вузьким пучком на пластинку 77. Внаслідок розсіювання частина з них відхиляється на певний кут 1-19-2.jpg. За допомогою спеціального приладу — спектрографа С можна виміряти кут відхилення 1-19-2.jpg і довжину хвилі 1-19-1.jpg' розсіяного рентгенівського випромінювання.
Досліди Комптона показали, що розсіяне рентгенівське проміння має більшу довжину хвилі, ніж падаюче: 1-19-1.jpg' > 1-19-1.jpg. Він встановив, що їх різниця Δ 1-19-1.jpg = 1-19-1.jpg' - 1-19-1.jpg не залежить від довжини хвилі падаючого проміння і хімічної природи речовини, що розсіює випромінювання:


3-90.jpg


де 1-19-1.jpgk — стала, яку називають комптонівською довжиною хвилі.


Класична хвильова теорія розсіювання неспроможна була пояснити ефект Комптона, оскільки вона стверджувала, що довжина хвилі розсіяного світла не повинна змінюватися, адже під дією випромінювання в речовині виникають електромагнітні хвилі тієї самої частоти, що й падаючого світла.


Рентгенівські промені розсіюються речовиною таким чином, що довжина хвилі розсіяного випромінювання 1-19-1.jpg' більша за довжину хвилі падаючого рентгенівського випромінювання 1-19-1.jpg


1-19-1.jpgк = 2,43 · 10-12м


Це явище теоретично обґрунтував А. Комптон на основі квантової гіпотези. Він припустив, що часткове розсіювання фотонів відбувається на вільних або слабко зв'язаних електронах за законами пружного удару. Під час співудару падаючий фотон передає частину свого імпульсу електрону (мал. 6.3).


30224.jpg


За законом збереження імпульсу:


3-91.jpg


звідси рф < ро, або 3-92.jpg тобто 1-19-1.jpg'  > 1-19-1.jpg, що й було одержано в експерименті.


Установлено, що ефект Комптона не спостерігається в діапазоні видимого світла або ультрафіолетового випромінювання, де має місце явище фотоефекту. Це пояснюють тим, що енергія світлового кванта сумірна з енергією зв'язку електрона в атомі, і тому фотон може поглинатися атомом, зумовлюючи фотоефект. Однак явище розсіювання не спостерігатиметься, оскільки електрон не можна вважати вільним або слабко зв'язаним.


Енергія фотона оптичного діапазону знаходиться в межах


З · 10-19 — 40 · 10-19 Дж


або 2—25 еВ.


Енергія рентгенівського фотона становить понад 250 еВ


Рентгенівський фотон має набагато більшу енергію, яка перевищує енергію зв'язку електрона в атоміг і тому електрон можна вважати вільним. Його зіткнення з фотоном відбувається за законами пружного удару, і тому відбувається розсіювання променів, яке супроводжується збільшенням довжини хвилі випромінювання.



ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ ФОТОЕФЕКТУ


Різні прояви явища фотоефекту знайшли широке практичне застосування в техніці. Зокрема, у напівпровідників було виявлено також внутрішній фотоефект, який проявляється у зростанні електропровідності та виникненні ЕРС під час їх опромінення.


Фотопровідність — зростання електропровідності напівпровідників під дією світла


рухомих носіїв заряду (електронів і дірок) під дією електромагнітного випромінювання. Фотон, поглинаючись напівпровідником, віддає електронам усю свою енергію; внаслідок цього вони можуть стати вільними і збільшиться число електронів провідності й дірок (так звана власна фотопровідність). Отже, фотопровідність напівпровідників зростає пропорційно інтенсивності опромінення — чим вона більша, тим більший електричний струм. Вона також залежить від частоти випромінювання, проте характер цього зв'язку складніший. Ці властивості напівпровідників використовують у фоторезисторах і фотодіодах.


Фоторезистор — це напівпровідниковий прилад (мал. 6.4),


05245-1.jpg


опір якого змінюється залежно від його освітленості: чим більша сила світла, що на нього падає, тим менший його опір. Адже під дією світла у напівпровіднику утворюються додаткові носії електричного заряду — пара «електрон—дірка», які збільшують провідність матеріалу, а отже, зменшують його опір.


У напівпровідникових фотодіодах (мал. 6.5),


30226.jpg


які увімкнені в коло в запірному напрямі р-и-переходу, під дією оптичного випромінювання виникає однобічна провідність. Це пояснюють тим, що внаслідок опромінення в напівпровідниках зростає концентрація електронів і дірок. Під дією електричного поля неосновні носії заряду (електрони в напівпровіднику р-типу і дірки в напівпровіднику п-типу) легко долають запірний шар р-п-переходу і в колі виникає струм.


Фоторезистори і фотодіоди широко використовують у засобах автоматики, де потрібно враховувати зміну світлового потоку, наприклад, в охоронних системах, пропускних турнікетах метрополітену, пристроях відтворення звуку.


Під дією світла в напівпровідниках може виникати фотоЕРС, зумовлена просторовим розподілом носіїв заряду, що з'являються у напівпровіднику внаслідок нерівномірного поглинання випромінювання (мал. 6.6).


15465.jpg


Концентрація носіїв заряду поблизу грані /, що освітлюється, набагато вища, ніж біля протилежної, затемненої грані 2. Електрони і дірки дифундують від грані / до грані 2, проте через неоднакову їх рухливість в об'ємі напівпровідника відбувається перерозподіл заряду, який створює електричне поле Е. Наявність електричного поля підтримує різницю потенціалів, внаслідок чого існує фотоЕРС.


Утворення фотоЕРС використовують у різних приладах, призначених для вимірювання потужності випромінювання, сонячних батареях, які застосовують у космічній техніці тощо.


Останнім часом в електронних пристроях і засобах сигналізації широко використовують фотоелементи. В основу їх дії покладено властивість фотокатода здійснювати емісію електронів під впливом випромінювання. Фотокатод складається з тонкої плівки фотоемісійного матеріалу, нанесеної на пластинку, що опромінюється. Фотокатод разом з анодом вміщують у скляну колбу, з якої викачано повітря (вакуумний фотоелемент), або наповнюють її газом (газонаповнений фотоелемент).


ФотоЕРС — виникнення ЕРС унаслідок опромінення напівпровідників


В електричному колі фотоелемента, який не опромінюється (мал. 6.7),


30227.jpg


електричний струм відсутній, оскільки між катодом і анодом немає вільних носіїв заряду. Під час освітлення фотокатода утворюються фотоелектрони, які прямують до анода, тобто в колі виникає електричний струм.


Залежно від матеріалу фотокатода такий прилад може мати різні оптичні властивості.


Отже, він може бути чутливим лише до певного діапазону хвиль, наприклад ультрафіо-летового випромінювання, і не реагувати на видиме світло. Є фотоелементи, які охоплюють весь спектр видимого світла або чутливі в інфрачервоному діапазоні хвиль. Цю здатність фотоелементів використовують у різних оптичних приладах, зокрема у приладах нічного бачення.


ЗАПИТАННЯ
1. У чому полягає суть явища фотоефекту?
2. Послідовністю яких фізичних процесів є фотоефект?
3. Чому явище фотоефекту спостерігається лише за певного приєднання джерела струму?
4. Поясніть суть кожного із законів фотоефекту.
5. За яких умов може відбуватися фотоефект?
6. Чому червона межа фотоефекту залежить від хімічної природи металу? Що ще впливає на її значення?
7. Чому ефект Комптона вважають остаточним підтвердженням квантової гіпотези світла?
8. У чому полягає суть досліду Комптона?
9. Чому хвильова теорія неспроможна пояснити ефект Комптона?
10. Чому ефект Комптона не спостерігається в оптичному діапазоні випромінювання?
11. Які прилади побудовані з використанням явища фотоефекту?
12. Що таке фотопровідність? Від чого вона залежить?
13. Поясніть дію фоторезистора або фотодіода як засобів автоматики.
14. Де застосовують фотоелементи, фотодіоди і фоторезистори?



Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф. Савченко, Фізика, 11 клас
Вислано читачами з інтернет-сайтів  



Планування уроків з фізики, відповіді на тести, завдання та відповіді по класам, домашнє завдання та робота з фізики для 11 класу




Зміст уроку
1236084776 kr.jpg конспект уроку і опорний каркас                      
1236084776 kr.jpg презентація уроку 
1236084776 kr.jpg акселеративні методи та інтерактивні технології
1236084776 kr.jpg закриті вправи (тільки для використання вчителями)
1236084776 kr.jpg оцінювання 

Практика
1236084776 kr.jpg задачі та вправи,самоперевірка 
1236084776 kr.jpg практикуми, лабораторні, кейси
1236084776 kr.jpg рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
1236084776 kr.jpg домашнє завдання 

Ілюстрації
1236084776 kr.jpg ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
1236084776 kr.jpg реферати
1236084776 kr.jpg фішки для допитливих
1236084776 kr.jpg шпаргалки
1236084776 kr.jpg гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
1236084776 kr.jpg зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
1236084776 kr.jpg підручники основні і допоміжні 
1236084776 kr.jpg тематичні свята, девізи 
1236084776 kr.jpg статті 
1236084776 kr.jpg національні особливості
1236084776 kr.jpg словник термінів                          
1236084776 kr.jpg інше 

Тільки для вчителів
1236084776 kr.jpg ідеальні уроки 
1236084776 kr.jpg календарний план на рік 
1236084776 kr.jpg методичні рекомендації 
1236084776 kr.jpg програми
1236084776 kr.jpg обговорення



Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.


Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.