Теория фотоэффекта
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 электронов 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: при попадании на вещество фотон поглощается одним из электронов. Часть поглощенной энергии расходуется на работу по вырыванию электрона из металлаAВЬ1Х ( Измеряется в электрон - вольтах.1 эв= 1.6∙ 10
Дж).Другая часть поглощенной энергии фотона превращается в кинетическую энергию вырванного из металла электрона mv2/2. Следовательно,
hv =AВЬ1Х+mv2/2. (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).
рис 1.
При достижении максимального значения сила тока не меняется. Максимальное значение силы тока IВ 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 U3 (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<v
, то фотоэффект уже не происходит. Как видно из уравнения А. Эйнштейна, фотоэффект будет наблюдаться, если hv > Авых. При hv < Авых фотоэффект не наблюдается. Если hvкp = 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.
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 :
Вариант 1
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.
а. Увеличится.
б. Уменьшится.
в. Не изменится.
3. Какое из приведённых ниже выражений позволяет рассчитать кинетическую энергию фотоэлектронов?
А. hv.
Б. Ав+ Ек.
В. hv - Ав.
Г. hv - Ек.
Д. ( hv-Eк) / h.
4. При каком условии возможен фотоэффект?
А. hv >Aв.
Б. hv < Aв.
В. При любом соотношении hv и Aв.
5. Укажите вещество, для которого возможен фотоэффект под действием фотонов с энергией 2,4*10ˉ №9Дж:
А. Цезий (Ав = 3,0*10ˉ №9 Дж)
Б. Оксид бария (Ав = 1,6*10ˉ№9 Дж)
В. Калий (Ав = 3,5*10П 19 Дж)
Г. Литий (Ав = 3,8*10ˉ№9 Дж)
Д. Серебро (Ав = 6,9*10ˉ №9 Дж)
6. Чему равна максимальная кинетическая энергия электронов, вырываемых из металла под действием фотонов с энергией 8*10ˉ №9 Дж, если работа выхода составляет 2*10ˉ №9 Дж?
А. 8*10ˉ№9 Дж
Б. 2*10ˉ №9 Дж
В.10*10ˉ №9 Дж
Г. 6*10ˉ №9 Дж
Д. 0 Дж
7. Укажите, что является причиной выцветания тканей под действием солнечных лучей?
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?
А. Увеличится
Б. Уменьшится
В. Не изменится
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.
Д. Не изменится.
10. Какое из выражений определяет энергию фотона?
А. mvІ /2
Б. hv / c.
В. hv / cІ
Г. h / л
Д. hc / л
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?
А. Точка 1.
Б. Точка 2
В. Точка 3
Г. Точка 4
12. Чему равна длина волны излучения, вызывающего фотоэффект, если максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов 4,5 *10ˉ№9 Дж, а работа выхода для этого металла составляет 3,5 * 10ˉ№9 Дж?
А. 1,2*10ˉ7 м.
Б. 2,0*10ˉ7 м.
В. 2,5*10ˉ 7 м.
Г. 4,4*10ˉ 7 м.
Д. 5,7*10ˉ 7 м.
Вариант 2
Какое из приведённых ниже выражений наиболее точно определяет понятие работа выхода?
А. Энергия, необходимая для отрыва электрона от атома.
Б. Кинетическая энергия свободного электрона в веществе.
В. Энергия, необходимая свободному электрону для вылета из вещества.
Г. Энергия, необходимая свободному электрону для вылета из вещества и приобретения некоторой скорости.
2. Как изменится абсолютная величина заряда цинковой пластины после ее облучения ультрафиолетовым излучением? Пластина заряжена отрицательно.
А. Увеличится.
Б. Уменьшится.
В. Не изменится.
3. Какое из приведённых ниже выражений позволяет рассчитать энергию кванта излучения?
А. Ав + Ек.
Б. hv – Eк.
В. hv – Aв.
Г. mvІ / 2.
Д. (hv – Eк ) / h.
4. При каком условии возможен фотоэффект?
А. V > V min, где V min – красная граница фотоэффекта.
Б. V<V min.
В. При любом соотношении V и V min.
5. Укажите вещество, для которого возможен фотоэффект под действием фотонов с энергией 3,2*10ˉ№9 Дж:
А. Калий ( Ав= 3,5*10ˉ№9 Дж)
Б. Серебро ( Ав= 6,9*10ˉ№9 Дж)
В. Литий ( Ав= 3,8*10ˉ№9 Дж)
Г. Вольфрам ( Ав= 7,2*10ˉ№9 Дж)
Д. Цезий ( Ав= 3,0*10ˉ№9 Дж)
6. Чему равна максимальная кинетическая энергия электронов, вырываемых из металла под действием фотонов с энергией 8*10ˉ№9 Дж, если работа выхода имеет такое же значение?
А. 10ˉ№9 Дж
Б. 8*10ˉ№9 Дж
В. 16*10ˉ№9 Дж
Г. 64*10ˉ№9 Дж
Д. 0 Дж
7. Укажите, что является причиной увеличения электрической проводимости полупроводника под действием света?
А. Разрушение молекул вещества.
Б. Вырывание электронов из вещества.
В. Разрыв парноэлектронных связей и образование свободных электронов и дырок.
Г. Передача импульса фотонов поверхности.
Д. Ионизация молекул вещества.
8. Как изменится количество фотоэлектронов в опыте по фотоэффекту при уменьшении интенсивности света?
А. Увеличится.
Б. Уменьшится.
В. Не изменится.
9. Как изменится скорость фотоэлектронов при увеличении интенсивности облучения в 2 раза?
А. Увеличится в 2 раза.
Б. Увеличится в 4 раза.
В. Уменьшится в 2 раза.
Г. Уменьшится в 4 раза.
Д. Не изменится.
10. Какое из выражений определяет импульс фотона?
А. hv.
Б. hс / л
В. mvІ/ 2.
Г. hv / cІ.
Д. hv / c.
11. Какая точка вольт - амперной характеристики вакуумного фотоэлемента ( рис. 3 )соответствует силе тока, при которой все электроны, вырываемые светом с поверхности металла, достигают анода?
А. Точка 1.
Б. Точка 2.
В. Точка 3.
Г. Точка 4.
12, Чему равна работа выхода, если излучение с длиной волны 2,5*10ˉ7 м вызывает фотоэффект с максимальной кинетической энергией фотоэлектронов 4,0*10ˉ19 Дж?
А. 0 Дж.
Б. 2*10ˉ№9 Дж
В. 4*10ˉ№9 Дж
Г. 8*10ˉ№9 Дж
Д. 32*10ˉ№9Дж
Вариант 3
Какое из приведённых ниже выражений наиболее точно определяет понятие внутренний фотоэффект?
А. Вырывание электронов из вещества под действием света.
Б. Испускание электронов веществом в результате нагревания.
В. Увеличение электрической проводимости при облучении области p-n - перехода двух полупроводников?
Г. Увеличение электрической проводимости вещества в результате нагревания.
Как изменится положительный заряд цинковой пластины, если её освещать ультрафиолетовыми лучами?
А. Увеличится.
Б. Уменьшится.
В. Не изменится.
Какое из приведённых ниже выражений позволяет рассчитать работу выхода электрона из вещества?
А. hv – Aв.
Б. hv – Eк.
В. Ав + Ек.
Г. ( hv – Eк) / h.
Д. Hv
4. При каком условии возможен фотоэффект?
А. v < Aв / h
Б. v > Aв / h
В. При любом соотношении величин v и Aв / h
5. Укажите вещество, для которого возможен фотоэффект под действием фотонов с энергией 4,8*10ˉ№9 Дж :
А. Платина ( Ав =8,5*10ˉ№9Дж )
Б. Никель ( Ав =7,7*10ˉ№9 Дж )
В. Серебро ( Ав =6,9*10ˉ№9 Дж )
Г. Алюминий ( Ав =5,9*10ˉ№9 Дж )
Д. Литий ( Ав =3,8*10ˉ№9 Дж )
6. Чему равна энергия фотонов, вызыающих фотоэффект, если максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов 4,5*10ˉ№9 Дж, а работа выхода составляет 3,5*10ˉ№9Дж?
А. 10 ˉ№9 Дж
Б. 3,5*10 ˉ№9 Дж
В. 4,5*10 ˉ№9 Дж
Г. 8*10 ˉ19 Дж
Д. 16*10 ˉ19 Дж
7. Укажите, что является причиной почернения фотопластинки под действием света?
А. Передача поверхности импульсов фотонов.
Б. Разрыв ковалентных связей.
В. Разрушение молекул вещества.
Г. Выравнивание электронов из вещества.
Д. Ионизация молекул вещества.
8. Как изменится кинетическая энергия фотоэлектронов при увеличении частоты облучающего света?
А. увеличится.
Б. Уменьшится.
В. Не изменится.
9. Как изменится работа выхода электрона из вещества при уменьшении частоты облучения в 2 раза?
А. Увеличится в 2 раза.
Б. Увеличится в 4 раза.
В. Уменьшится в 2 раза.
Г. Уменьшится в 4 раза.
Д. Не изменится.
10. Какое из выражений определяет массу фотона?
А. hv.
Б. hv / c.
В. hv / cІ.
Г. hc / л.
Д. mvІ / 2.
11.Какая точка вольт-амперной характеристики вакуумного фотоэлемента ( рис. 3 ) соответствует прекращению движения фотоэлектронов между электродами?
А. Точка 1.
Б. Точка 2.
В. Точка 3.
Г. Точка 4.
12. Чему равна максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, если излучение длиной волны 2,5*10ˉ7м и вызывает фотоэффект в металле с работой выхода 2*10ˉ№9 Дж?
А. 8*10ˉ№9 Дж
Б. 2*10ˉ№9 Дж
В.10*10ˉ№9 Дж
Г. 6*10ˉ№9 Дж
Д. 0 Дж
Вариант 4
Какое из приведённых ниже выражений наиболее точно определяет свойства фотона?
А. Частица, движущаяся с большой скоростью и обладающая массой, зависящей от скорости.
Б. Частица, движущаяся со скоростью света и обладающая отличной от нуля массой покоя.
В. Частица, движущаяся с большой скоростью, масса покоя которой равна нулю.
Г. Частица, движущаяся со скоростью света, масса покоя которой равна нулю.
2. Как изменится отрицательный заряд цинковой пластины, помещённой в вакуумную камеру, если её освещать ультрафиолетовыми лучами через обыкновенное стекло?
А. Увеличится.
Б. Уменьшится.
В. Не изменится.
3. Какое из приведённых ниже выражений позволяет рассчитать красную границу фотоэффекта?
А. hv
Б. hv – Eк
В. hv – Aв
Г. Ав+Ек
Д. ( hv – Eк ) / h
4. При каком условии возможен фотоэффект?
А. л < л max, где лmax – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта.
Б. л > лmax
В. При любом соотношении величин л и лmax.
Укажите вещество, для которого возможен фотоэффект под действием фотонов с энергией 6,4*10ˉ№9 Дж:
А. Серебро ( Ав =6,9*10ˉ№9 Дж )
Б. Вольфрам (Ав =7,2*10ˉ№9 Дж)
В. Никель (Ав =7,7*10ˉ№9Дж)
Г. Алюминий (Ав =5,9*10ˉ№9 Дж)
Д. Платина (Ав =8,5*10ˉ№9 Дж )
6. Чему равна работа выхода электрона из металла, если фотоны с энергией 8*10ˉ№9 Дж вызывают фотоэффект, при котором кинетическая энергия фотоэлектронов равна 4*10ˉ№9Дж?
А. 0 Дж
Б. 2*10ˉ№9 Дж
В. 4*10ˉ№9Дж
Г. 8*10ˉ№9 Дж
Д. 32*10ˉ№9 Дж
7. Укажите, что является причиной изменения заряда металлической пластины под действием света?
А. Разрушение молекул вещества.
Б. Разрыв ковалентных связей.
В. Передача поверхности импульсов фотонов.
Г. Вырывание электронов из вещества.
Д. Ионизация молекул вещества.
Как изменится скорость фотоэлектронов при уменьшении частоты облучающего света?
А. Увеличится.
Б. Уменьшится.
В. Не изменится.
Как изменится кинетическая энергия фотоэлектронов при увеличении интенсивности облучения в 3 раза?
А. Увеличится в 3 раза.
Б. Увеличится в 9 раз.
В. Уменьшится в 3 раза.
Г. Уменьшится в 9 раз.
Д. Не изменится.
Какое из выражений определяет импульс фотона?
А. hv.
Б. hc / л
В. h / л
Г. hv / cІ
Д. mvІ / 2
В какой точке вольт-амперной характеристики (рис.3) электрический ток определяется только кинетической энергией фтотэлектронов?
А. Точка 1
Б. Точка 2
В. Точка 3
Г. Точка 4
Чему равна кинетическая энергия фотоэлектронов, если излучение длиной волны 2,5*10ˉ7 м вызывает фотоэффект в металле с работой выхода 8*10ˉ№9 Дж?
А. 0 Дж
Б. 10ˉ№9 Дж
В. 8*10ˉ№9 Дж
Г. 16*10ˉ№9 Дж
Д. 64*10ˉ№9 Дж
