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.

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

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).

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 ₀) 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:

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.

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_e. Отже, N_е ~ /.

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:

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 ( > ₀) фотоефект не відбувається

СВІТЛОВІ КВАНТИ. КОРПУСКУЛЯРНО-ХВИЛЬОВИЙ ДУАЛІЗМ СВІТЛА

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.

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.

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.

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.

У класичній фізиці існували два погляди на природу світла — хвильовий і корпускулярний

Ідею квантування енергії, висловлену М. Планком, А. Ейнштейн поширив на світлові явища

Гіпотезу про подвійну природу світла — корпускулярно-хвильовий дуалізм — уперше висловив А. Ейнштейн

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 р — імпульс тіла; h — стала Планка.

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 · 10^{8 м}_с).

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 = mс², його імпульс дорівнює:

де / — довжина світлової хвилі.

Довжина хвилі де Бройля електрона, що рухається зі швидкістю
500 ^м_с, дорівнює  = 1,5 • 10^-6 м = 1,5 мкм

Фотон — це елементарна частинка, що характеризує квант світла hv

Фотон — особлива  елементарна  частинка. Він не має маси спокою (m_o =  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.

Маса фотона залежить від довжини хилі електромагнітного випромінювання: . Так, для видимого світла (_с = 6 · 10^-7 м) його маса дорівнює 3,7 · 10^-36 кг, а для рентгенівського випромінювання {_р = 10^-9 м) — 2,2 · 10^-33 кг.

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.

Маса фотона рентгенівського випромінювання менша за масу електрона (m_е = 9,1 · 10^-31 кг) майже в 500 разів

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'

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.

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. Які два вчення про природу світла існують у фізиці? Які світлові явища підтверджують їх?  
8. У чому полягає суть гіпотези Планка?
9. Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм світла?
10. У чому полягає суть квантування електромагнітного випромінювання?
11. Схарактеризуйте фотон як світловий квант.

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

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

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

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

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 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.