Меню

Число вырываемых светом электронов зависит от



Учебники

Журнал «Квант»

Общие

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

Читайте также:  Фонарь кемпинговый следопыт лунный свет 36 диодов

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].

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.

Читайте также:  Двери межкомнатные со светом

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.

Видео по теме Опыт Столетова А.Г.

Источник

Световые кванты. Фотоэффект

Возникновение квантовой теории

Основная проблема, с которой физики столкнулись в 90-х годах XIX в., состояла в объяснении спектра теплового излучения абсолютно черного тела.

Абсолютно черное тело – тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения любой частоты при произвольной температуре.

По мере возрастания температуры максимум интенсивности теплового излучения испускаемого абсолютно черным телом смещается к более высоким частотам, что противоречило законам классической физики. Такое расхождение теории с экспериментом в конце XIX в. получило название «ультрафиолетовой катастрофы».

Новая теория света, предложенная в 1900 г. М. Планком основывалась на том, что атомы излучают свет не непрерывно, а дискретно, т.е. отдельными порциями – квантами. Энергия излучения кванта прямо пропорциональна частоте излучения:

Где h=6,62∙10 -34 Дж∙с – постоянная Планка.

В 1905 г. А.Эйнштейн предполагает, что свет не только испускается, но и поглощается квантами.

Для проверки квантовой теории света А.Эйнштейн предложил простой способ: количественные измерения фотоэффекта.

Фотоэлектрический эффект

Фотоэффект – явление испускания электронов из вещества под действием света.

Явление фотоэффекта было открыто Г.Герцем в 1887 г. и тщательно исследовано А.Г.Столетовым в 1888 г.

Электромагнитное излучение, падает на катод вакуумной трубки через кварцевое окно прозрачное для ультрафиолетовых волн и вырывает электроны, сообщая им некоторую кинетическую энергию. Благодаря этой энергии электроны улетают от катода, а некоторые из них достигают анода, создавая в цепи электрический ток, называемый фототоком.

Напряжение U между анодом и катодом регулируется потенциометром (реостатом). Интенсивность излучения регулируется мощностью лампы, сетками, светофильтрами. Под действием электрического поля электроны движутся от катода к аноду.

При постоянной интенсивности света и при увеличении напряжения между катодом и анодом возрастает сила фототока, но до некоторого максимального значения. Затем фототок остается постоянным. Максимальное значение силы тока Iн называется током насыщения. Таким образом, все электроны, выбиваемые светом из катода, достигают анода. Дальнейший рост тока невозможен.

Ток насыщения определяется числом электронов испускаемых за 1с с освещенного электрода.

Обнаружено что, когда напряжение между электродами равно нулю, ток в таком случае не прекращается.

Если полюсы источника поменять местами, то электрическое поле между электродами будет тормозить вырванные электроны. Прекращение электрического тока в цепи означает, что и самые быстрые электроны, получившие от излучения наибольшую кинетическую энергию, не могут преодолеть пространство между электродами с разностью потенциалов U и возвращаются на катод.

Следовательно, по величине тормозящего напряжения можно определить максимальное значение кинетической энергии (скорости) фотоэлектронов.

При изменении интенсивности падающего излучения тормозящее напряжение не меняется.

При увеличении интенсивности излучения и при постоянном напряжении сила фототока возрастает. Следовательно, сила фототока зависит от интенсивности падающего излучения.

От частоты излучения сила фототока не зависит.

Читайте также:  Замена центрального переключателя света газ 3110

На опыте было установлено, что скорость электронов (их кинетическая энергия) зависит от частоты излучения, но не зависит от его интенсивности.

Из графика видно, что существует определенное значение частоты излучения, ниже которой излучение не вызывает фотоэффекта независимо от его интенсивности. Такое значение частоты получило название красная граница nкр фотоэффекта. Для каждого вещества красная граница имеет свое значение.

Законы фотоэффекта

  1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально мощности падающего светового потока Р.
  1. При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия электронов возрастает линейно по формуле:

  1. Существует минимальная частота, при которой выбивание электронов с поверхности металла не происходит (красная граница фотоэффекта):

Квантовая теория фотоэффекта

А.Эйнштейн “… свет не только испускается, но и поглощается квантами“.

  1. Следовательно, чем больше квантов энергии попадает на поверхность вещества в единицу времени, тем больше электронов за это же время покидают эту поверхность.
  2. Если принять, что электрон вылетает с поверхности вещества, только поглотив такой квант энергии, то его энергия определяется энергией кванта, а значит и частотой.
  3. Наличие красной границы фотоэффекта объясняется необходимостью совершения определенной работы по вырыванию электронов с поверхности вещества. Такую работу называют работой выхода. Если квант излучения, поглощенный электроном, больше, чем работа выхода, то фотоэффект наблюдается. В противном случае электрон просто не может покинуть вещество.

Эйнштейн для описания взаимодействия кванта света с электроном использовал закон сохранения энергии, где энергия кванта электромагнитного излучения, поглощенная электроном при фотоэффекте, расходуется на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии после вылета из вещества.

Эта формула получила название уравнение (формула) Эйнштейна для фотоэффекта.

Таким образом, уравнение фотоэффекта объясняет все законы внешнего фотоэффекта.

Применение фотоэффекта

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Их используют в схемах световой сигнализации, а также в звуковом кино для воспроизведения звука, записанного на кинопленке.

На явлении внутреннего фотоэффекта основано действие вентильных фотоэлементов. Это устройство, в котором энергия световой волны превращается в энергию электрического тока.

Такие источники тока используют в солнечных батареях, устанавливаемых на всех космических кораблях. Вентильные фотоэлементы являются основной частью люксметров – приборов для измерения освещенности, а так же фотоэкспонометров.

Используется при автоматическом управлении электрическими цепями с помощью световых сигналов и в цепях переменного тока.

Опорный конспект к уроку:

Краткие итоги:

Явление фотоэффекта открыто Г. Герцем в 1887 г. и исследовано Столетовыми Ленардом в 1888 г. Объяснение фотоэффекта противоречило волновой теории света.

Опираясь на идеи Планка о квантовом характере излучения, Эйнштейн в 1905 г.создал теорию фотоэффекта. Свет рассматривался в ней как фотонный газ – электромагнитное излучение, состоящее из потоков световых квантов (фотонов) с энергией E=hν, обладающей скоростью (с), массой (m), импульсом (p), частотой (ν), длиной волны (λ). Применяя закон сохранения энергии, Эйнштейн получилуравнение для фотоэффекта, описывающее взаимодействие одного кванта света с одним электроном:

Данное уравнение позволило объяснить экспериментальные факты, полученные в ходе исследования фотоэффекта с квантовой позиции.

1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально световому потоку Р.

2. При увеличении частоты падающего света максимальная кинетическая энергия электронов возрастает линейно по формуле:

E=hν-A

3. Существует минимальная частота при которой выбивание электронов с поверхности металла не происходит (красная граница фотоэффекта):

hν=A

Квантовая теория фотоэффекта была экспериментально проверена в 1914 г. Р.Милликеном.

Явление фотоэффекта лежит в работе фотоэлектронных приборов.

Источник

Adblock
detector