Меню

Как изменится сила тока насыщения в опытах по фотоэффекту при увеличении интенсивности облучающего

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

Опыт Столетова А.Г.

Содержание

Описание опыта

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 (рис. 1).

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 (рис. 2).

Из графика следует, что:

1. При некотором значении напряжения между электродами Uн сила фототока перестает зависеть от напряжения.

Максимальное значение силы тока Iн называется током насыщения. Сила тока насыщения \(I_H = \dfrac >\), где qmах — максимальный заряд, переносимый фотоэлектронами. Он равен \(q_ = n \cdot e \cdot t\), где n — число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности освещаемого металла за 1 с, е — заряд электрона. Следовательно, при фототоке насыщения все электроны, покинувшие за 1 с поверхность металла, за это же время попадают на анод. Поэтому по силе фототока насыщения можно судить о числе фотоэлектронов, вылетающих с катода в единицу времени.

2. Сила фототока отлична от нуля и при нулевом напряжении. Это означает, что часть вырванных светом электронов достигает анода А (см. рис. 1) электрода и при отсутствии напряжения, т.е. фотоэлектроны при вылете обладают кинетической энергией.

3. Если катод соединить с положительным полюсом источника тока, а анод — с отрицательным, то в электростатическом поле между электродами фотоэлектроны будут тормозиться, а сила фототока уменьшаться при увеличении значения этого отрицательного напряжения. При некотором значении отрицательного напряжения Uз (его называют задерживающим напряжением) фототок прекращается. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод.

Согласно теореме о кинетической энергии, работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:

Это выражение получено при условии, что скорость υ « с, где с — скорость света.

Следовательно, зная Uз, можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

На рисунке 3, а приведены графики зависимости Iф(U) для различных световых потоков, падающих на фотокатод при постоянной частоте света. На рисунке 3, б приведены графики зависимости Iф(U) для постоянного светового потока и различных частот падающего на катод света.

Анализ графиков на рисунке 3, а показывает, что сила фототока насыщения увеличивается с увеличением интенсивности падающего света. Если по этим данным построить график зависимости силы тока насыщения от интенсивности света, то получим прямую, которая проходит через начало координат (рис. 4, а). Следовательно, сила фотона насыщения пропорциональна интенсивности света, падающего на катод: Iф

Как следует из графиков на рисунке 3, б, величина задерживающего напряжения увеличивается с увеличением частоты падающего света. При уменьшении частоты падающего света Uз уменьшается, и при некоторой частоте ν) задерживающее напряжение Uз0 = 0. При ν а

На основании этих экспериментальных данных были сформулированы законы фотоэффекта.

Flash-анимация опыта

Вы можете повторить описанный выше опыт при помощи flash-анимации (автор Александр Коновалов). В этой программе вы можете:

  • наблюдать движение электронов;
  • менять материал (металл) катода, интенсивность и частоту излучения, полярность источника;
  • увидеть значения работы выхода, красная граница фотоэффекта, длины волны излучения, энергии фотона и напряжения источника.

fot_7.swf Опыт Столетова А.Г. Увеличить Flash Рис. 5.

Законы фотоэффекта

  1. Число фотоэлектронов, вырываемых за 1 с с поверхности катода, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.
  2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты.
  3. Красная граница фотоэффекта зависит только от рода вещества катода.
  4. Фотоэффект практически безинерционен, так как с момента облучения металла светом до вылета электронов проходит время ≈ 10 –9 с.

История физики

Описание опыта Столетовым А.Г.

«Два металлических диска («арматуры», «электроды») в 22 см диаметром были установлены вертикально и друг другу параллельно перед электрическим фонарем Дюбоска, из которого вынуты все стекла. В фонаре имелась лампа с вольтовой дугой А. Один из дисков, близлежащий к фонарю, сделан из тонкой металлической сетки, латунной или железной, иногда гальванопластически покрытой другим металлом, которая была натянута в круглом кольце; другой диск сплошной (металлическая пластинка)» [4, с. 193].

Img fotoeffect-007.jpg

Измерения производились зеркальным гальванометром G, источником тока В служили гальванические батареи из разного числа элементов. В опытах ученый менял знак заряда на металлической пластине с отрицательного на положительный, на пути световых лучей помещал непрозрачный экран (пластинку из картона, металла и др.), стеклянную пластинку. При этих производимых друг за другом исследованиях фотоэффект не наблюдался. Экраны из кварца, льда вследствие поглощения длинноволновой части излучения только ослабляли наблюдаемый эффект. Отсюда ученый делает вывод, что фотоэффект вызывается главным образом ультрафиолетовыми лучами. При прочих равных условиях фототок возрастал при зачистке поверхности отрицательного электрода и повышении его температуры. Для изучения зависимости фотоэффекта от освещенности поверхности электрода Столетов использовал метод прерывистого освещения. К описанной ранее экспериментальной установке был добавлен картонный круг с вырезанными окошками. Круг помещался между источником света S и конденсатором G. Площади окошек и промежутков между ними были одинаковы. Когда круг приводился во вращение (скорость вращения можно было изменять), на конденсатор падало наполовину меньше света, чем при неподвижном круге. При этом сила фототока также уменьшалась в два раза. Следовательно, сила фототока прямо пропорциональна величине светового потока. Такой же результат ученый получил, изменяя площадь освещаемой части отрицательной пластины. Эксперименты, кроме того, позволили установить, что световые лучи действуют мгновенно: фототок возникал и прекращался практически одновременно с началом и прекращением освещения конденсатора. Увеличение напряжения вело к возрастанию силы фототока до определенного значения (ток насыщения), затем он оставался постоянным.

Выводы Столетова А.Г.

В результате проведенных в воздухе экспериментов Столетов пришел к следующим выводам:

«1. Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд.

2. Это действие лучей есть строго униполярное, положительный заряд лучами не уносится.

3. Разряжающим действием обладают — если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими — лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре (λ = 295•10 –6 мм). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие.

4. Для разряда лучами необходимо, чтобы лучи поглощались поверхностью тела.

5. Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между моментом освещения и моментом соответственного разряда не протекает заметного времени.

6. Разряжающее действие, при одинаковых условиях, пропорционально энергии активных лучей, падающих на разряжаемую поверхность.

7. Каков бы ни был механизм активно-электрического разряда, мы вправе рассматривать его как некоторый ток электричества.

8. Активно-электрическое действие усиливается с повышением температуры» [4, с. 238, 239].

Литература

  1. Аксенович Л.А. Физика в средней школе. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 556-559.
  2. Вольштейн С. Л. и др. Методы физической науки в школе: Пособие для учителя / С. Л. Вольштейн, С. В. Позойский, В. В. Усанов; Под ред. С. Л. Вольштейна.— Мн.: Нар. асвета, 1988.— С. 124-126.
  3. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. — М.: Просвещение, 1998. — С. 162-163.
  4. Столетов А. Г. Избранные сочинения / Под ред. А. К. Тимирязева.— М.; Л.: Гос. изд. техн.-теор. лит., 1950. — 660 с.
Читайте также:  В замкнутом контуре течет ток силой 2а пронизывающий контур магнитный поток

Видео по теме Опыт Столетова А.Г.

Источник

Сила тока насыщения формула

Вольт-амперная характеристика фотоэлемента – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами.

Вольт-амперная характеристика, соответствующая двум различным освещенностям катода( частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рисунке выше. По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока – фототок насыщения – определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

Где n – число электронов, испускаемых катодом за 1 с.

Из вольт-амперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным пулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U . При U = U ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью vmax, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

Т.е., измерив задерживающее напряжение U , можно определить максимальные значения скорости кинетической энергии фотоэлектронов.

Экспериментально показано, что задерживающий потенциал зависит от частоты света, которым облучают катод фотоэлемента, и не зависит от величины падающего светового потока. При увеличении частоты облучающего света задерживающий потенциал возрастает

Зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов при освещении катода светом различной частоты при одинаковом числе вырванных электронов (v2> v1> v )

На опыте обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от величины светового потока. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты v , то фотоэффекта не происходит. Частоту v называют красной границей фотоэффекта. Задерживающий потенциал, соответствующий красной границе фотоэффекта, равен нулю.

Краткий итог: фототок насыщения зависит только от интенсивности, а запирающее напряжение U зависит от кинетической энергии вырываемых светом электронов, в свою очередь кинетическая энергия зависит только от частоты света.

47. Работа выхода при внешнем фотоэффекте, красная граница фотоэффекта.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии,

(1)

Уравнение (1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить II и III законы фотоэффекта. Из (1) непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно растет с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни A, ни v от интенсивности света не зависят (II закон фотоэффекта). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А=const), то при некоторой достаточно малой частоте v = v кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (III закон фотоэффекта). Согласно изложенному, из (1) получим, что

(2)

и есть красная граница фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности. Выражение (1) можно записать в виде

Вольт-амперная характеристика фотоэлемента – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами.

Вольт-амперная характеристика, соответствующая двум различным освещенностям катода( частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рисунке выше. По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока – фототок насыщения – определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

Где n – число электронов, испускаемых катодом за 1 с.

Из вольт-амперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным пулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U . При U = U ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью vmax, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

Т.е., измерив задерживающее напряжение U , можно определить максимальные значения скорости кинетической энергии фотоэлектронов.

Экспериментально показано, что задерживающий потенциал зависит от частоты света, которым облучают катод фотоэлемента, и не зависит от величины падающего светового потока. При увеличении частоты облучающего света задерживающий потенциал возрастает

Зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов при освещении катода светом различной частоты при одинаковом числе вырванных электронов (v2> v1> v )

На опыте обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от величины светового потока. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты v , то фотоэффекта не происходит. Частоту v называют красной границей фотоэффекта. Задерживающий потенциал, соответствующий красной границе фотоэффекта, равен нулю.

Краткий итог: фототок насыщения зависит только от интенсивности, а запирающее напряжение U зависит от кинетической энергии вырываемых светом электронов, в свою очередь кинетическая энергия зависит только от частоты света.

47. Работа выхода при внешнем фотоэффекте, красная граница фотоэффекта.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии,

(1)

Уравнение (1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить II и III законы фотоэффекта. Из (1) непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно растет с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни A, ни v от интенсивности света не зависят (II закон фотоэффекта). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А=const), то при некоторой достаточно малой частоте v = v кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (III закон фотоэффекта). Согласно изложенному, из (1) получим, что

(2)

и есть красная граница фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности. Выражение (1) можно записать в виде

Сила – ток – насыщение

Сила тока насыщения , как видно из формулы, численно равна заряду ионов одного знака, образующемуся иод действием ионизатора между обкладками конденсатора за единицу времени. [1]

Сила тока насыщения оказалась строго пропорциональной световому потоку. [2]

Сила тока насыщения равна заряду ионов, образуемых ионизатором за секунду в объеме газоразрядной трубки. [3]

Найти силу тока насыщения между пластинами конденсатора, если под действием ионизатора в каждом кубическом сантиметре пространства между пластинами конденсатора образуется я 108 пар ионов, каждый из которых несет один элементарный заряд. [4]

Найти силу тока насыщения в ионизационной камере, площадь электродов которой 100 см2, а расстояние между ними 6 2 см. Ионизатор образует в 1 см3 камеры ежесекундно 109 одновалентных ионов каждого знака. [5]

Значит, сила тока насыщения / NSdq, где q – заряд одного иона. [6]

Читайте также:  Расчет тока для однолинейной схемы

Как изменится сила тока насыщения , если при неизменном действии ионизатора сблизить пластины. [7]

Таким образом, сила тока насыщения очень сильно зависит от работы выхода и температуры, поскольку эти величины входят в экспоненту. Одновременно желательно, чтобы их работа выхода была как можно меньше. Например, чистый вольфрам, работа выхода которого 4 5 эВ, должен эксплуатироваться при температуре 2500 К. Затем катод активируется при пропускании через него термоионного тока при температуре катода около 1300 К. В результате образуется моноатомный слой щелочноземельных атомов, значительно понижающий работу выхода. Например, бариево-стронци-евые оксидные катоды имеют работу выхода около 1 8 эВ, благодаря чему значительные токи удается получить уже при температуре около 1100 К. Слой бариево-стронциевого окисла наносится обычно на никелевую трубку, внутри которой в качестве нагревателя используется вольфрамовая нить. Такая конструкция имеет дополнительное преимущество по сравнению с использованием нагретой вольфрамовой нити в качестве катода, поскольку в последнем случае вдоль нити возникает значительное падение потенциала и ее поверхность не будет эквипотенциальной. В оксидном катоде слой окислов является эквипотенциальной поверхностью, что улучшает весьма существенно условия работы катода в целом. [8]

При изменении интенсивности света сила тока насыщения / н также изменяется, но, как показали опыты, задерживающее напряжение U3 остается неизменным. С точки зрения волновых представлений о свете этот факт необъясним. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны в освещенном металле и тем большая энергия должна, казалось бы, передаваться светом электронам. [9]

С увеличением температуры катода сила тока насыщения быстро возрастает. [10]

Опыты показывают, что сила тока насыщения возрастает чрезвычайно быстро с увеличением температуры катода. [12]

Опыты показали, что п Ж и сила тока насыщения очень быстро возрастают с увеличением температуры катода. [13]

На основании сказанного можно считать, что сила тока насыщения / н численно равна заряду всех электронов, испускаемых в единицу времени данным катодом при данной температуре. [15]

Источник

Самоподготовка по теме «Теория фотоэффекта «

Квантовая теория света была выдвинута Максом Планком 14 декабря 1900 года на собрании Немецкого физического общества, где он высказал мысль о том, что энергия излучения состоит из отдельных малых и неделимых частей – квантов или фотонов .

Согласно квантовой теории каждый фотон (квант) имеет энергию:

E = hv , где h = 6,6∙ 10 -34 Дж∙с— постоянная Планка; v — частота излучения.

Доказательством квантовой теории света является внешний фотоэлектрический эффект — явление выбивания электро нов из металла световым излучением определенного интервала частот. Явление фотоэффекта было открыто немецким физиком Генрихом Герцем. Однако в России исследованием этого явления занимался Александр Григорьевич Столетов. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: п ри попадании на вещество фотон поглощается одним из электро нов. Часть поглощенной энергии расходуется на работу по вырыва нию электрона из металла A ВЬ1Х ( Измеряется в электрон- вольтах.1 эв= 1.6∙ 10 Дж). Другая часть поглощенной энергии фотона превра щается в кинетическую энергию вырванного из металла электрона m v 2 /2. Следовательно,

hv = A ВЬ1Х + mv 2 /2. (1)

В стеклянный баллон, из которого выкачали воздух, помещались два электрода. Внутрь баллона через кварцевое стекло, которое пропускает ультрафиолетовые лучи, поступает свет. На электроды подается напряжение, причем освещаемый электрод подключается к отрицательному полюсу источника тока. Напряжение, подаваемое на электроды, можно изменять с помощью потенциометра и измерять вольтметром. Под действием света отрицательно заряженный электрод испускает электроны, которые, направляясь к положительно заряженному электроду, образуют электрический ток(рис1).Если, не меняя интенсивность излучения, изменять разность потенциалов между электродами, то можно получить вольт-амперную характеристику (зависимость I от U) (рис. 1).

hello_html_1a2022b1.png

рис 1.

При достижении максимального значения сила тока не меняется. Максимальное значение силы тока I В называют током насыщения . Изменяя в опыте интенсивность излучения, удалось установить первый закон фотоэффекта : количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света

Электроны, вылетающие с поверхности катода, имеют некоторую скорость и могут достичь анода. Чтобы ток стал равен нулю, необходимо изменить полярность батареи и подать напряжение U 3 (задерживающее напряжение), которое определяется выражением : е U =(2). Экспериментально обнаружено, что задерживающее напряжение не меняется при изменении интенсивности света . Оно меняется с изменением частоты падающего света.

Таким образом был сформулирован второй закон фотоэффекта : максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности .

Если частота света меньше некоторой постоянной величины для данного вещества, то фотоэффект не наблюдается. Закрывая кварцевое окно обычным стеклом наблюдалось прекращение фотоэффекта .

3-ий закон фотоэффекта : для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v(или максимальная длина волны y0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v А вых . При hv вых фотоэффект не наблюдается. Если hv кp = А,(3) то электроны освобождаются с нулевой скоростью.

Приборы, действие которых основано на явлении внешнего фотоэффекта , преобразующие световую энергию в электрическую, называются фотоэлементами.

В фотоэлементе с внешним фотоэффектом действие света вызывает выход из поверхностного слоя фотокатода электронов во внешнее пространство — в вакуум или сильно разреженный газ.

hello_html_5c9e8d43.jpghello_html_m5854d791.png

hello_html_m35c4cd81.jpg

Схема устройства такого фотоэлемента приведена на рис. 2, а. На внутреннюю стенку стеклянной колбы, из которой откачан воздух, с одной стороны нанесен фотокатод 3. В центре колбы вакуумного фотоэлемента укреплен металлический анод 1 в виде небольшого кольца или пластинки. Колба снабжена пластмассовым цоколем 4 . В нижней части цоколя находятся контактные штырьки , к которым подводятся соединительные провода от фотокатода и анода. Для работы фотоэлемента анод соединяется с положительным зажимом, а фотокатод — с отрицательным зажимом источника электрической энергии, под действием подведенного напряжения образуется электрическое поле и электроны, вылетающие с поверхности освещенного фотокатода, направляются на положительно заряженный анод. Эти электроны создают в цепи электрический ток.

Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках (и в металлах тоже).

Фотоэффект используется в фотоэлектронных приборах , получивших разнообразные применения в науке и технике. На фотоэффекте основано превращение светового сигнала в электрический. Электрическое сопротивление полупроводника падает при освещении; это используется для устройства фотосопротивлений . При освещении области контакта различных полупроводников возникает фото-эдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую , что применяется , например в солнечных батареях(рис3)

Вопросы для самоподготовки:

Что называется фотоэффектом?

В чем заключается гипотеза М.Планка.

Как объясняется явление фотоэффекта с помощью уравнения Эйнштейна.

Сформулируйте 1 закон фотоэффекта

Сформулируйте 2 закон фотоэффекта

В чем заключается физический смысл третьего закона фотоэффекта

Какое физическое явление положено в основу принципа действия фотоэлементов.

Почему фотокатод вакуумного фотоэлемента в случае рабочего режима соединяют с отрицательным полюсом источника тока.

С какой целью из стеклянной колбы фотоэлемента откачивают воздух?

10.Каково основное отличие внешнего фотоэффекта от внутреннего?

Выполните тестовую работу :

1.Какое из приведённых ниже выражений наиболее точно определяет понятие внешний фотоэффект ?

А. Испускание заряженных частиц веществом под действием света.

Б. испускание электронов веществом в результате нагревания.

В. Вырывание электронов из вещества под действием света.

Г. Увеличение электрической проводимости вещества под действием света.

2. Как изменится абсолютная величина цинковой пластины, помещенной в вакуумную камеру, после освещения ее ультрафиолетовым излучением через кварцевое стекло? Пластина заряжена отрицательно.

3. Какое из приведённых ниже выражений позволяет рассчитать кинетическую энергию фотоэлектронов?

4. При каком условии возможен фотоэффект?

В. При любом соотношении hv и A в.

5. Укажите вещество, для которого возможен фотоэффект под действием фотонов с энергией 2,4*10ˉ ¹ 9 Дж:

А. Цезий (Ав = 3,0*10ˉ ¹ 9 Дж)

Б. Оксид бария (Ав = 1,6*10ˉ¹ 9 Дж)

В. Калий (Ав = 3,5*10 ֿ 19 Дж)

Г. Литий (Ав = 3,8*10ˉ¹ 9 Дж)

Д. Серебро (Ав = 6,9*10ˉ ¹ 9 Дж)

6. Чему равна максимальная кинетическая энергия электронов, вырываемых из металла под действием фотонов с энергией 8*10ˉ ¹9 Дж, если работа выхода составляет 2*10ˉ ¹ 9 Дж?

7. Укажите, что является причиной выцветания тканей под действием солнечных лучей?

Читайте также:  Формула расчета токов холостого хода

А. Вырывание электронов из вещества.

Б. Разрыв эквивалентных связей.

В. Передача поверхности импульсов фотонов.

Г. Разрушение молекул вещества.

Д. Ионизация молекул вещества.

8. Как изменится сила тока насыщения в опыте по фотоэффекту при увеличении интенсивности света?

9. Как изменится работа выхода электронов из вещества при уменьшении частоты облучения в 3 раза?

А. Увеличится в 3 раза.

Б. Увеличится в 9 раз.

В. Уменьшится в 3 раза.

Г. Уменьшится в 9 раз.

10. Какое из выражений определяет энергию фотона?

11. Какая точка вольт-амперной характеристики вакуумного фотоэлемента ( рис.1) соответствует силе тока, при которой только часть электронов, вырываемых светом с поверхности металла, достигает анода?

hello_html_m2d6abe7c.png

12. Чему равна длина волны излучения, вызывающего фотоэффект, если максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов 4,5 *10ˉ¹ 9 Дж, а работа выхода для этого металла составляет 3,5 * 10ˉ¹ 9 Дж?

Источник



Физика. 11 класс

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 22. Фотоэффект

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

  • предмет и задачи квантовой физики;
  • гипотеза М. Планка о квантах;
  • опыты А.Г. Столетова;
  • определение фотоэффекта, кванта, тока насыщения, задерживающего напряжения, работы выхода, красной границы фотоэффекта;
  • уравнение Эйнштейна для фотоэффекта;
  • законы фотоэффекта.

Глоссарий по теме:

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Квант — (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике.

Ток насыщения — некоторое предельное значение силы фототока.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. которую нужно сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 153 – 158.

3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 422 – 429.

4. Тульчинский М. Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ. и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 157.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.

Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.

Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:

h = 6,63 ∙ 10 -34 Дж∙с.

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

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.

В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.

Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения — максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, — прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.

Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

где Ав – работа выхода электронов;

h – постоянная Планка;

νmin — частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта;

с – скорость света;

λкр – длина волны, соответствующая красной границе.

Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

Задерживающее напряжение — минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.

Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

где — максимальная кинетическая энергия электронов;

Е – заряд электрона;

– задерживающее напряжение.

Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:

В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны — фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.

Примеры и разбор решения заданий

1. Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Работа выхода

Запирающее напряжение

Работа выхода — это характеристика металла, следовательно, работа выхода не изменится при изменении длины волны падающего света.

Запирающее напряжение — это такое минимальное напряжение, при котором фотоэлектроны перестают вылетать из металла. Оно определяется из уравнения:

Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается.

Работа выхода

Запирающее напряжение

2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.

Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны:

Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода:

Запишем выражение для запирающего напряжения – условие равенства максимальной кинетической энергии электрона и изменения его потенциальной энергии при перемещении в электростатическом поле:

Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:

Подставляя численные значения, получаем: λ ≈ 215 нм.

Источник