Transcript Изготвил: Силвия Боянова ПГ „Акад. С. П. Корольов“ Гр. Дупница Външен фотоефект        Същност на явлението Фотоклетка Закони на фотоефекта Приложения Фотони Отделителна работа Обяснение на законите на фотоефекта 1.зад.

Изготвил: Силвия Боянова
ПГ „Акад. С. П. Корольов“
Гр. Дупница
1
Външен фотоефект







Същност на явлението
Фотоклетка
Закони на фотоефекта
Приложения
Фотони
Отделителна работа
Обяснение на законите на
фотоефекта
2
1.зад. Сравнете енергията на един
квант червена и синя светлина.
Дължината на вълната на червената
светлина е λч=700 nm, а на синята
светлина е λс=430 nm. Скоростта на
светлината е c=3.108 m/s. Константа на
Планк е h=6,63.10-34 J.s.
От
E  h 
hc

получаваме…..
Отг. Е ч = 2,84.10-19 J =1,77 eV;
Ес = 4,62.10-19 J= 2, 89 eV
3
2.зад. Литиева пластинка е свързана към отрицателно зареден електроскоп. Близо до пластинката се
намира източник на монохроматична светлина,
както е показано на картинката. Какво предполагате,
че ще стане с листенцата на електроскопа малко, след
като бъде включен източникът на монохроматичната
светлина?
Извод: При облъчване на някои
метали със светлина, от тяхната
повърхност започват да се отделят електрони, които се наричат
фотоелектрони, а явлението се
нарича фотоелектричен ефект
или само фотоефект.
4
Откриване на фотоефекта Хайнрих Херц през 1887г.
Хайнрих Рудолф Херц –
брилянтен немски физик,
роден на 22.02.1857г. в
Хамбург. През 1879г. Херц
започва знаменитите
опити с електромагнитни
вълни и потвърждава
експериментално теорията на Джеймс Клерк
Максуел. Малко по-късно
открива фотоелектричния ефект. Хайнрих Херц
умира твърде млад, на
5
01.01.1894г. в Бон.
1. Същност на явлението
Фотоелектричният ефект, или на кратко фотоефектът, представлява взаимодействие на светлината (на
един фотон) с дадено вещество, при което от
атомите се отделят електрони.
6
2. Фотоклетка
Фотоефектът се използва във
вакуумната фотоклетка
А
К
Волтметър
I
Амперметър
В евакуиран стъклен балон са
поставени катод и анод.
Катодът представлява слой
от алкален метал, подходящо
обработен и нанесен върху вътрешната повърхност на балона
Ако катодът не е осветен, то във
веригата не тече ток.
При осветяване на катода, от него се избиват фотоелектрони,
които се ускоряват от приложеното напрежение между анода
и катода и амперметърът измерва протичащия фототок I. 7
2.1. Волт-амперна характеристика на
фотоклетка
От
волтамперната
характеристика се вижда се, че
фототокът
нараства
при
повишаване на приложеното
напрежение.
От
дадено
напрежение нататък, всички
електрони, отделени от катода,
достигат анода и тока остава
постоянен – т.нар. ток на
насищане. За да получим поголям ток на насищане,
трябва
да
увеличим
интензитета
на
падащата
монохроматична светлина.
I, μA
Голям
интензитет
Малък
интензитет
Uсп.
U, V
8
2.2. Спирачно напрежение.
А
К
Волтметър
Амперметър
eUсп = E k, max
Ако на фотоклетката се подаде
обратно напрежение, електричното
поле възпрепятства движението на
фотоелектроните. При определено
обратно
напрежение
U,
при
достигане на анода електричната
потенциална
енергия
на
фотоелектроните нараства с e.U, а
кинетичната им енергия намалява,
и
фототокът
намалява.
При
определено обратно напрежение
U=Uсп.,
наречено
спирачно
напрежение, фототокът става равен
на нула и от З.З.Е, следва, че
или
9
3. Основни закономерности на
фотоефекта
1. При осветяване с монохроматична светлина броят
на отделените от осветената повърхност на тялото
фотоелектрони (тоест наситеният фототок на
фотоклетката) е пропорционален на интензитета на
светлината.
2. За всеки метал съществува червена граница на
фотоефекта, т.е максимална дължина на вълната
λmax (или минимална честота νmin=c/λmax) на
използваната монохроматична светлина, при която
все още е възможно избиването на електрони. Ако
λ>λmax (или ν<νmin), то фотоефект не се наблюдава,
дори при голям интензитет на светлината.
10
3.
Максималната
кинетична
енергия
на
фотоелектроните Ek,max НЕ зависи от интензитета на
светлината и нараства линейно с увеличаване на
честотата на падащата светлина.
Ek, max
νmin
ν
4. Фотоелектроните се отделят практически веднага
след осветяването на повърхността (по-малко от 10-9 s
след осветяването), дори ако интензитета на
11
светлината е малък.
4. Какво класическата вълнова теория
не може да обясни при фотоефекта?
4.1 Според класическата вълнова теория трябва
Ek,max да е правопропорционална на интензитета на
падащата светлина, което НЕ е така.
4.2 Класическата вълнова теория НЕ може да обясни
съществуването на червена граница при фотоефекта.
От нея следва, че фотоефект трябва да възниква при
всякаква дължина на вълната, стига интензитета на
светлината да е достатъчно голям.
4.3 Според класическата вълнова теория трябва
електроните да се избиват от метала след известно
време, т.е фотоефектът да има инерционност, което
12
НЕ е така.
5. Приложение на фотоефекта.
5.1. Алармени системи и системи за автоматично
отваряне и затваряне на врати.
.
При прекъсване на лазерния лъч, спира да тече ток
във фотоклетката, при което се затваря електрическа
верига, която е свързана с аларма или пусков механи13
зъм, за затваряне или отваряне на врати.
5.2. При озвучаване на кинофилм.
Картина
Звукова
пътечка
Фотоклетка
Отстрани на всяка видеолента има т.нар. звукова пътечка–
поредица от светли и тъмни ивици, носещи оптичния образ на
звука. При движението си лентата се облъчва от страни със сноп
монохроматична светлина, която преминавайки през светлите и
тъмните ивици на звуковата пътечка попада с различен
интензитет върху фотоклетка, от която се получава променлив
ток – електричен аналог на записания звук.
След усилване, този променлив ток се подава на високоговори14
тел.
1. Човекът, който промени света –
Алберт Айнщайн.
Алберт Айнщайн, един от най-големите
физици на всички епохи, е роден на
14.03.1879г. в гр. Улм, Германия.
Главните заслуги на Айнщайн
според
самия
него
са
:
“Създаване на теорията на относителността, свързана с нови
представи за времето, пространството, гравитацията и еквивалентността на маса и енергия
Е=m.c2,
Всеобща теория на полето
(недовършена), принос в
15
развитието на квантовата теория.
За обяснението на фотоефекта Айнщайн получава Нобелова награда по физика през
1921г. В началото на април
1955г. здравето на Айнщайн
рязко се влошило и той
починал на 18.04.1955г.
Айнщайн посвещава целия си живот
на хуманизма и борбата с насилието,
въпреки че до края на живота си се
чувства виновен за трагедията над
Хирошима и Нагасаки. Айнщайн
беше, остава и ще бъде човекът,
който промени нашите представи за
този уникален свят.
16
През 1905г. Айнщайн доразвива хипотезата на Макс
Планк, като стига до извода, че светлината не само се
излъчва на кванти, но също така се поглъща на кванти. Айнщайн нарича квантите с ново име, ФОТОНИ,
което остава във физиката и до днес.
17
Фотоните са особен вид частици, които винаги се
движат със скоростта на светлината с = 3.108 m/s.
Поток монохроматична светлина представлява поток
от еднакви фотони. Те имат двойнствена природа–
проявяват се хем като вълни, хем като частици.
Свойства на вълна, c=λ.ν
Свойства на частица,
Е=h.ν.
Фотоните имат честота
“ν” на вълната
Фотоните имат точно
определена енергия.
Фотоните имат дължина
“λ” на вълната
Излъчват се и се
поглъщат само цели
фотони.
18
3. Уравнение на Айнщайн за фотоефекта.
3.1 Отделителна работа на метал.
Повърхностна
бариера
Минималната работа, която трябва
да извърши всеки свободен електрон,
за да напусне повърхността на метала,
се нарича отделителна работа (Ае) за
съответния метал.
Метал
Ae, eV
Цезий
1,81
Натрий
2,46
Алуминий
4,08
Желязо
4,50
Платина
6,35
Тази работа зависи от вида на метала
и от чистотата на неговата повърх19
ност.
3.2. От къде електроните получават енергия, за да
преодолеят привличането на йоните на металната
решетка. Уравнение на Айнщайн.
20
h.ν = Ae+Ek, max
Уравнение на Айнщайн за фотоефекта
От уравнението на Айнщайн следва, че
Ek, max = h.ν -Ae ,
т.е електроните, които извършват минимална работа,
напускат метала с максимална кинетична енергия.
4. Обяснение на законите на фотоефекта.
4.1. Обяснение на първия закон.
Защо броят на отделените за единица време електрони е
правопропорционален на интензитета на монохроматичната
светлина? Броят на фотоните, които попадат за единица време
върху единица площ от металната повърхност е
правопропорционален на интензитета на светлината. Т.е поголям интензитет на светлината, означава по-голям брой
фотони, а това означава по-голям брой избити електрони. 21
4.2. Обяснение на втория закон.
Защо съществува червена граница? Ако h.ν < Ae , то
фотоефект не се наблюдава. Минималната
енергия, която трябва да притежава един фотон, за
да избие електрон е h.νmin= Ae .
Следователно имаме, че:
или
22
4.3. Обяснение на третия закон.
Защо максималната кинетична енергия (Ek, max) на
електроните не зависи от интензитета на падащата
монохроматична светлина? От уравнението на
Айнщайн следва, че Ek,max = h.ν - Ae. От това уравнение
следва още, че Ek,max(ν) е линейна функция на
честотата,
което
обяснява
експериментално
получената зависимост.
23
4.4. Обяснение на четвъртия закон.
Защо фотоефектът е безинерционно явление?
Поглъщането на фотон от електрон става за
изключително малък интервал от време.
24
От
E  h 
hc

получихме
Отг. Е ч = 2,84.10-19 J = 1,77 eV;
Ес = 4,62.10-19 J= 2, 89 eV
Метал
Ae, eV
Цезий
1,81
Натрий
2,46
Алуминий
4,08
Желязо
4,50
Платина
6,35
От какъв метал трябва да е
направен катода на фотоклетката,
за да има фотоефект със червена
или синя светлина?
25
26