Урок по теме: "Фотоэффект. Теория фотоэффекта"

Урок 57. Фотоэффект. Теория фотоэффекта.

Цель: дать понятие явления фотоэффекта; рассмотреть зарождение новой КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ и ее влияние на современную картину мира.

Ход урока:

Итак, мы с вами уже знаем, что существует две теории света.

Вопрос: Какие теории света мы изучили?

Ответ: волновая и корпускулярная.

Вопрос: в чем состоит суть этих теорий?

До сегодняшнего дня мы с вами рассматривали и изучали явления, подтверждающие именно волновую теорию света, т.е. его волновые свойства. Но как уже не раз было сказано, существуют и явления, которые подтверждают и корпускулярную теорию света, т.е. поведение света, как потока частиц.

Одним из таких явлений является ФОТОЭФФЕКТ.

ВИДЫ ФОТОЭФФЕКТА

Внешний Внутренний

Перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света.

Рассмотрим установку для наблюдения фотоэффекта.

Объяснение: отрицательно заряженная пластина электрометра под действием УФ разряжается. Положительно заряженная пластина не теряет заряд под действием УФ. Если на пути УФ поставить обыкновенное стекло, то отрицательно заряженная пластина не разряжается. Вывод: стекло поглощает УФ, следовательно именно УФ вызывает появление фотоэффекта.

Возникла проблема: теория Максвелла (законы электромагнетизма) не смогли объяснить данного явления.

При попытке применить их к проблеме излучения веществами коротких ЭМВ, законы «забуксовали». Было непонятно, почему световые волны малой частоты не могут вырывать электроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, велика сила, действующая на электроны.

Классическая волновая теория приводила к заключению, что энергия излучения должна возрастать непрерывно при передвижении по спектру от красной части к фиолетовой. Но опыты показали, что в фиолетовой и особенно ультрафиолетовой частях спектра энергии не возрастает, а резко падает. Создалось совершенно нетерпимое противоречие между теорией и опытом. Этот кризис в теории получил у физиков название «ультрафиолетовой катастрофы».

Вывод: электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному выводу, согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения ЭМВ, должно охлаждаться до абсолютного нуля. То есть тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако ничего такого в действительности не происходит. Нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение ЭМВ.

В поисках выхода из этого противоречия между теорией и практикой немецкий физик Макс Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами.

Сообщение о Планке.

Е = h ν – энергия кванта.

h = 6,63*10^-34 Дж*с – постоянная Планка.

После открытия Планка начала развиваться новая самая современная и глубокая физическая теория – квантовая теория.

Итак, вернемся к явлению фотоэффекта. Для того, чтобы получить о нем более полное представление, нужно выяснить, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) и чем определяется их скорость (кинетическая энергия).

Исследованием этих вопросов занимался русский физик Александр Григорьевич Столетов.

Сообщение о Столетове.

На основе своих исследований он сформулировал законы фотоэффекта, получившие название законы Столетова. В своих опытах Столетов использовал вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами, один из которых освещался УФ.

Первый закон. Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на металл.

I_н ~ Ф

Число электронов, выбиваемых за 1с из вещества пропорционально интенсивности света, падающего на вещество.

N ~ I

Второй закон. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты. Если к освещенному электроду подключить положительный полюс батареи, то при некотором U фототок прекратится. Это явление не зависит от величины светового потока.

По закону сохранения энергии: mυ²/2 = U_зе.

Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света.

Третий закон. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта.

ν_min

То есть существует наименьшая частота, при которой еще возможен фотоэффект. При меньшей частоте ни при какой интенсивности волны падающего света на фотокатод фотоэффект не произойдет.

Четвертый закон. Фотоэффект практически безынерционен. (t = 10^-9с)

Теория фотоэффекта.

Эйнштейн, развив теорию Планка (1905) показал, что законы фотоэффекта могут быть объяснены при помощи квантовой теории.

Явление фотоэффекта экспериментально доказывает свет имеет прерывистую структуру.

Излученная порция Е = h ν сохраняет свою индивидуальность и поглощается веществом только целиком.

На основании закона сохранения энергии: h ν = А + mυ²/2 – уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Задания с ЕГЭ.

поверхность металла освещают светом, длина которого меньше длины волны, соответствующей «красной границе» фотоэффекта для данного вещества. При увеличении интенсивности света: