Опыт:

1 цинковая пластина

2 кварцевая лампа

3 электроскоп

4 стекло

При зарядке пластины положительно, освещение лампы не влияет на быстроту разрядки, но если пластина заряжена отрицательно, то свет от лампы очень быстро разряжает электрометр, это объясняется тем, что свет вырывает электроны с поверхности металла.

Причем, если на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения.

Если цинковую пластину заменить натриевой (заряженной отрицательно), то разрядка пластины будет происходить и при облучении ее светом от электрической лампы, которой не достаточно для разрядки цинковой отрицательно заряженной пластины.

 Выводы:

Число фотоэлектронов, вырываемых с катода за 1 сек., прямо пропорционально интенсивности света.

1. Тело теряет заряд только в том случае, если оно заряжено отрицательно.

2. Причиной ухода зарядов в цинковой пластине является свет, причём под действием квантов света выбиваются, только электроны.

3. Интенсивность выбивания электронов зависит от рода металла.

Опыт Столетова

В результате фотоэффекта возникает ток, который называется фототоком. Фототок – движение вырванных светом из катода электронов.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888-1890 гг. А. Г. Столетовым.

Для того чтобы получить о фотоэффекте более полное представление, нужно выяснить, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) и чем определяется их скорость или кинетическая энергия. С этой целью были проведены экспериментальные исследования, которые состояли в следующем. В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух (для того, чтобы столкновения электронов с молекулами газа не вносили осложнения в наблюдаемые явления, а также для того, чтобы предохранить пластинки от окисления), помещаются два электрода.

Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через кварцевое «окошко», прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра R и измерять вольтметром V. К освещаемому электроду (катод К) присоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток.

При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода (анод А). Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока так же увеличивается. При некотором напряжении она достигает максимального значения, после чего перестает изменяться.

Силу фототока измеряют миллиампером или гальванометром; напряжение между электродами измеряется вольтметром.

Исследуя зависимость фототока от приложенного напряжения, А.Г. Столетов установил, что он не подчиняется закону Ома.  Из графика видно, что фототок сначала растёт, а затем при сравнительно не большом напряжении перестаёт расти.

Максимальное значение фототока называют фототоком  насыщения.

Если изменить полярность источника напряжения, то сила тока уменьшится и при не котором задерживающем напряжении она станет равной нулю. В этом случае электрический ток тормозит фотоэлектроны до полной остановки, а затем возвращает их на катод. Напряжение называют задерживающим напряжением.

Итак, электроны можно затормозить, подав на пластины напряжение U_з противоположной полярности – «запирающее» напряжение.

Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической энергии, можно найти максимальное значение кинетической энергии электрона:  

Законы фотоэффекта

1. Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на катод.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности

3. Для каждого вещества существует минимальная частота света, называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен.

 Гипотеза Планка

Объяснение законов фотоэффекта дал в 1905 году Альберт Эйнштейн на основе гипотезы Планка. Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную. волну не непрерывно. а отдельными порциями - квантами. В этой связи, тогда понятие «Свет – волна», следует заменить понятием «Свет – поток частиц-фотонов».

В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц. При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц с энергией Е=hν, зависящей от частоты.

Порция света похожа на то, что принято называть частицей. Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении, назвали корпускулярными.

Сама же световая частица была названа фотоном, или квантом электромагнитного излучения.

Квантовый характер излучения и поглощения энергии электромагнитного поля был постулирован М. Планком в 1900. Термин «фотон» введён химиком Г. Льюисом в 1926.

Современная теория была разработана в 1905—1917 гг. Альбертом Эйнштейном для объяснения наблюдаемых в экспериментах противоречий с классической волновой теорией света.

Свету присущ корпускулярно-волновой дуализм. При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучение и поглощение) – корпускулярные.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

На что идет энергия этого фотона?

Исходя из закона сохранения и превращения энергии заключаем. Что энергия фотона идёт на вырывание электрона из металла (на совершение работы по преодолению сил электрического притяжения) и на сообщение электрону кинетической энергии:

hν – энергия фотона, которая идет на работу выхода А электрона из металла и сообщение ему кинетической энергии.
Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из вещества.

За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Квантовая теория дает следующие объяснения законам фотоэффекта.

При увеличении интенсивности монохроматического излучения растет число поглощенных металлом квантов, а следовательно и число вылетающих из него электронов, поэтому фототок прямо пропорционален интенсивности излучения (1 закон).

  Из уравнения Эйнштейна видно, что кинетическая энергия вылетающих электронов зависит только от рода металла, состояния его поверхности и частоты (или длины волны) излучения, то есть величины энергии квантов и не зависит от интенсивности излучения (2 закон).   Если величина энергии квантов меньше работы выхода, то при любой интенсивности излучения электроны вылетать не будут (3 закон).

Красной границей фотоэффекта называют минимальную частоту света, ниже которой фотоэффект не наблюдается:

Эта граница для разных веществ различна, так как работа выхода зависит от рода вещества. При этом кинетическая энергия электронов равна нулю.
 

Применение фотоэффекта

- Заговорило кино и стала возможной передача движущихся изображение;

- Контроль размеров изделий;

- Автоматическое включение и выключение маяков и уличного освещения;

- Автоматизация станков на заводе;

- «Видящие» автоматы в метро;

- Солнечные батареи

Примеры решения задач:

Задача 1. Работа выхода электронов из серебра составляет 7,5·10^-19 Дж. Определить длину волны красной границы для фотоэффекта серебра.

Задача 2. Определить максимальную кинетическую энергию электронов, вылетающих из калия при его освещении лучами с длиной волны 345 нм. Работа выхода электрона из калия 2,26 эВ (2,26·1,6^-19 Дж).

Задачи для самостоятельного решения:

1. Работа выхода электронов из серебра составляет 12·10^-19 Дж. Определить длину волны красной границы для фотоэффекта серебра.

2. Электрон выходит из цезия с кинетической энергией 3,2·10^-19 Дж. Какова длина волны света, вызывающего фотоэффект, если работа выхода равна 2,88·10^-19 Дж?

3. Максимальная кинетическая энергия электронов, вылетающих из рубидия при его освещении ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 317·10^{-9 м, равна 2,84*10-19} Дж. Определить работу выхода электронов из рубидия и красную границу фотоэффекта.

4. При освещении поверхности стронция будут вылетать электроны с максимальной кинетической энергией 1,8·10^-19 Дж? Красная граница фотоэффекта для стронция 550 нм.

5.  Какова максимальная скорость фотоэлектронов, если фототок прекратился при запирающем напряжении 0,8В.

Вопросы:

1. Кому удалось объяснить законы фотоэффекта?
2. Что называется работой выхода?
3. Что еще определили с помощью уравнения Эйнштейна?
4. Применение фотоэффекта.
5. Итак, свет представляет собой локализованные в пространстве час-тицы, которые могут поглощаться и испускаться целиком. Как назва-ли эти частицы? (Эти частицы назвали фотонами.)
6. Перечислите основные свойства фотона?
7. Что же предшествовало введению понятия о квантовой природе света?
8. Какое противоречие возникло между теорией Максвелла и опытными данными?
9. Какой выход предложил М. Планк?
 

Домашнее задание:

Заполнить таблицу

Задачи

1. Какова кинетическая энергия и скорость фотоэлектрона, вылетевшего из натрия при облучении его ультрафиолетовым светом с длиной волны 200 нм? Работа выхода электрона из натрия 4·10^-19 Дж.

2. Какое запирающее напряжение надо подать на вакуумный фотоэлемент, чтобы электроны, вырванные ультрафиолетовым светом с длиной волны 100 нм из вольфрамового катода, не могли создать ток в цепи?   Работа выхода вольфрама  равна 7,2 ·10^-19 Дж