Какой из представленных ученых сформулировал законы фотоэффекта. Фотоэффект и его виды

В 1887 году Генрих Рудольф Герц обнаружил явление, впоследствии названное фотоэффектом. Его суть он определил в следующем:

Если свет от ртутной лампы направить на металл натрий, то с его поверхности будут вылетать электроны.

Современная формулировка фотоэффекта иная:

При падении световых квантов на вещество и при их последующем поглощении в веществе будут частично или полностью освобождаться заряженные частицы.

Другими словами при поглощении световых фотонов наблюдается:

Эмиссия электронов из вещества
Изменение электропроводности вещества
Возникновение фото-ЭДС на границе сред с различной проводимостью (например, металл-полупроводник)

В настоящее время существует три вида фотоэффекта:

Внутренний фотоэффект. Заключается в изменении проводимости полупроводников. Он используется в фоторезисторах, которые применяются в дозиметрах рентгеновского и ультрафиолетового излучения, также используется в медицинских приборах (оксигемометр) и в пожарной сигнализации.
Вентильный фотоэффект. Заключается в возникновении фото-ЭДС на границе веществ с разным типом проводимости, в результате разделения носителей электрического заряда электрическим полем. Он используется в солнечных батареях, в селеновых фотоэлементах и датчиках, регистрирующих уровень освещенности.
Внешний фотоэффект. Как уже говорилось ранее, это процесс выхода электронов из вещества в вакуум под действием квантов электромагнитного излучения.

Законы внешнего фотоэффекта.

Они были установлены Филиппом Ленардом и Александром Григорьевичем Столетовым на рубеже 20 века. Эти ученые измеряли число выбитых электронов и их скорость в зависимости от интенсивности и частоты подающего излучения.

Первый закон (закон Столетова):

Сила фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку, т.е. падающему излучению на вещество.

Теоретическая формулировка: При напряжении между электродами равном нулю фототок не равен нулю. Это объясняется тем, что после выхода из металла электроны обладают кинетической энергией. При наличии напряжения между анодом и катодом сила фототока растет с ростом напряжения, а при определенном значении напряжения ток достигает своего максимального значения (фототок насыщения). Это значит, что все электроны ежесекундно испускаемые катодом под действием электромагнитного излучения принимают участие в создании тока. При смене полярности ток падает и скоро становится равным нулю. Здесь электорон совершает работу против задерживающего поля за счет кинетпческой энергии. При увеличении интенсивности излучения (рост числа фотонов) растет число поглощенных металлом квантов энергии, а следовательно и число вылетевших электронов. Значит, чем больше световой поток, тем больше фототок насыщения.

I ф нас ~ Ф, I ф нас = k·Ф

k - коэффициент пропорциональности. Чувствительность зависит от природы металла. Чувствительность металла к фотоэффекту увеличивается с увеличением частоты света (при уменьшении длины волны).

Эта формулировка закона является технической. Она справедлива для вакуумных фотоэлектрических приборов.

Количество испускаемых электронов прямопропорционально плотности падающего потока при его постоянном спектральном составе.

Второй закон (закон Эйнштейна):

Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектрона промопропорциональна частоте падающего лучистого потока и не зависит от его интенсивности.

E kē = => ~ hυ

Третий закон (закон “красной границы”):

Для каждого вещества существует минимальная частота или максимальная длина волны, за пределами которой фотоэффект отсутствует.

Эта частота (длина волны) называется “красной границей” фотоэффекта.

Таким образом, он устанавливает условия фотоэффекта для данного вещества в зависимости от работы выхода электрона из вещества и от энергии падающих фотонов.

Если энергия фотона меньше работы выхода электрона из вещества, то фотоэффект отсутствует. Если же энергия фотона превышает работу выхода, то ее избыток после поглощения фотона идет на начальную кинетическую энергию фотоэлектрона.

Применение его для объяснения законов фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта является частным случаем закона сохранения и превращения энергии. Свою теорию он основал на законах еще зарождающейся квантовой физики.

Эйнштейн сформулировал три положения:

При воздействии с электронами вещества падающие фотоны поглощаются полностью.
Один фотон взаимодействует только с одним электроном.
Один поглощенный фотон способствует выходу только одного фотоэлектрона с некоторой E kē .

Энергия фотона расходуется на работу выхода (А вых) электрона из вещества и на его начальную кинетическую энергию, которая будет максимальна, если электрон выходит с поверхности вещества.

E kē = hυ - А вых

Чем больше частота падающего излучения, тем больше энергия фотонов и тем больше (за вычетом работы выхода) остается на начальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

Чем интенсивнее падающее излучение, тем больше фотонов входит в световой поток и тем больше электронов смогут выйти из вещества и участвовать в создании фототока. Именно поэтому сила фототока насыщения промопропорциональна световому потоку (I ф нас ~ Ф). Однако начальная кинетическая энергия от интенсивности не зависит, т.к. один электрон поглощает энергию только одного фотона.

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется процесс испускания электронов веществом при поглощении им квантов электромагнитного излучения (фотонов). Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г.Герцем, который обнаружил, что искровой разряд между двумя металлическими шариками происходит значительно интенсивнее, если один из шариков освещать ультрафиолетовыми лучами. После открытия электрона измерение удельного заряда вылетающих из металла под действием излучения частиц позволило установить, что частицы являются электронами.

Детальное экспериментальное исследование закономерностей внешнего фотоэффекта для металлов было выполнено в 1888 – 1889 гг. А.Г.Столетовым на установке с фотоэлементом, схема которой приведена на рисунке. Фотоэлемент в виде вакуумной двухэлектродной лампы имеет металлический катод К , который при освещении его через кварцевое окошко видимым светом или ультрафиолетовым излучением испускает электроны. Вылетевшие из катода фотоэлектроны, достигая анода А , обеспечивают протекание в цепи электрического тока, который фиксируется гальванометром или миллиамперметром. Специальная схема подключения источника позволяет изменять полярность напряжения, подаваемого на фотоэлемент.

На следующем рисунке представлена зависимость фототока от напряжения между катодом и анодом (вольт-амперные характеристики) при падении на катод монохроматического света с длиной волны при неизменном световом потоке для двух значений светового потока ( > ). Из вольт-амперной характеристики видно, что при некотором положительном напряжении фототок достигает насыщения – все электроны, испущенные катодом, достигают анода. Ток насыщения определяется числом электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света. Из рисунка видно, что число электронов, вылетающих из катода при данной частоте падающего света зависит от светового потока ( > ) так как ( > ). При напряжении фототок не исчезает, это свидетельствует о том, что электроны покидают катод со скоростью, отличной от нуля, т.е. обладают кинетической энергией, достаточной для достижения анода. При отрицательном напряжении испущенный катодом электрон попадает в тормозящее электрическое поле, преодолеть которое он может, лишь имея определенный запас кинетической энергии. Электрон с малой кинетической энергией, вылетев из катода, не может преодолеть тормозящее поле и попасть на анод. Такой электрон возвращается на катод, не давая вклада в фототок. Поэтому, плавный спад фототока в области отрицательных напряжений указывает на то, что вылетающие из катода фотоэлектроны имеют разные значения кинетической энергии. При некотором отрицательном напряжении , величину которого называют задерживающим напряжением (потенциалом), фототок становится равным нулю. При таком напряжении ни одному из электронов не удается преодолеть задерживающее поле и долететь до анода. Соответствующее тормозящее электрическое поле при этом задерживает все вылетающие из катода электроны, включая электроны с максимальной кинетической энергией.

Измерив задерживающее напряжение, можно определить эту максимальную энергию или максимальную скорость фотоэлектронов из соотношения

, (6.41.1)

где – масса электрона, – заряд электрона, – максимальная скорость вылетевших электронов.

Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов (следовательно и ) линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от светового потока (см. рисунок, приведенный ниже).

2. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта , то есть наименьшая частота , при которой еще возможен внешний фотоэффект.

3. При неизменном спектральном составе падающего на катод света число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально световому потоку :

Это утверждение носит название закона Столетова.

4. Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.

Попытки объяснить закономерности фотоэффекта с использованием классической волновой теории, в которой излучение рассматривалось как электромагнитные волны, приводили к выводам, противоположным наблюдаемым в эксперименте. Действительно, объясняя вырывание электронов из металла силовым воздействием на них со стороны электрического поля волны, такая теория неизбежно приходила к выводу о том, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов должна определяться световым потоком, падающим на катод. Наличие красной границы у фотоэффекта также противоречило выводам волновой теории.

Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе развития гипотезы М. Планка о том, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций – квантов, энергия которых зависит от частоты. Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что и свет имеет прерывистую дискретную структуру: свет не только испускается, но и распространяется и взаимодействует с веществом в виде отдельных порций.

Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов , впоследствии названных фотонами . При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Если электрон находится на самой поверхности, Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода , зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

(6.41.3)

Таким образом, энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии По закону сохранения энергии

(6.41.4)

Выражение (6.41.4) называется формулой (уравнением) Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта. Если энергия падающих фотонов < , то фотоэффект не наблюдается. Отсюда частота и длина волны красной границы фотоэффекта определяются слеющими формулами:

(6.41.5)

Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Важной количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход, определяющий число вылетевших электронов, приходящихся на один падающий на металл фотон. Вблизи красной границы для большинства металлов квантовый выход составляет порядка 10 -4 электрон/фотон. Малость квантового выхода обусловлена тем, что энергию, достаточную для выхода из металла сохраняют только те электроны, которые получили энергию от фотонов на глубине от поверхности, не превышающей 0,1 мкм. Кроме того, поверхность металлов сильно отражает излучение. С увеличением энергии фотонов, то есть с уменьшением длины волны излучения квантовый выход увеличивается, составляя 0,01 – 0,05 электрон/фотон для энергии фотонов порядка одного электрон-вольта. Для рентгеновского излучения с энергией фотонов эВ уже практически на каждые десять падающих на поверхность фотонов приходится один вылетевший из металла электрон.

Фотоэффект- это явление вырывания света электронов из металла(внешний)

Фотоэффе́кт - это испускание электронов веществом под действием света (или любого другого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости иливентильного фотоэффекта.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Законы Столетова

Первый закон
Исследуя зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами при постоянном световом потоке на один из них, он установил первый закон фотоэффекта.

Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на металл.

T.к. сила тока определяется величиной заряда, a световой поток - энергией светового пучка, то можно сказать:

число электронов, выбиваемых за 1 c из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

Второй закон

Изменяя условия освещения на этой же установке, A. Г. Столетов открыл второй закон фотоэффекта: кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, a зависит от его частоты.

Из опыта следовало, что если частоту света увеличить, то при неизменном световом потоке запирающее напряжение увеличивается, a, следовательно, увеличивается и кинетическая энергия фотоэлектронов. Таким образом, кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает c частотой света.

Третий закон

Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. e. существует наименьшая частота nmin, при которой еще возможен фотоэффект.

Закон сохранения энергии, записанный Эйнштейном для фотоэффекта, состоит в утверждении, что энергия фотона, приобретенная электроном, позволяет ему покинуть поверхность проводника, совершив работу выхода. Остаток энергии реализуется в виде кинетической энергии теперь уже свободного электрона

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии mv2max/2. По закону сохранения энергии,

(203.1)

Уравнение (203.1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Эффект Комптона

Изменение длины волны света при рассеивании на связанных электронов

ОПЫТЫ РЕЗЕРФОРДА.ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

Опыты Резерфорда. Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью -частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скорость -частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию -частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не может значительно изменить его скорость.

Планетарная модель атома. На основе своих опытов Резерфорд создал планетарную модель атома. В центре атома расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален. Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил притяжения со стороны ядра.

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется явление испускания электронов из вещества под действием электромагнитного излучения и, в частности, света. (При внутреннем фотоэффекте при поглощении падающего излучения электроны переходят на более высокие энергетические уровни, оставаясь в пределах вещества).

Простейшая схема для наблюдения фотоэффекта представлена на рис.1.

Свет через окошко попадает внутрь вакуумной стеклянной колбы и падает на металлическую пластинку, играющую роль катода (фотокатода).

Вследствие фотоэффекта с катода будут испускаться электроны (фотоэлектроны), которые будут под действием электрического поля, создаваемого между катодом и анодом, двигаться к аноду. Электроны достигают анода, и в цепи появляется электрический ток I ф , который регистрируется гальванометром G . Напряжение U между катодом и анодом регулируется с помощью потенциометра R и измеряется вольтметром V . С помощью этой схемы были сняты вольтамперные характеристики фотоэффекта (ВАХ) – зависимости силы фототока от напряжения между катодом и анодом. Две ВАХ для двух значений освещенности фотокатода ипоказаны на рисунке 2.

Из кривых мы видим, что при нулевом напряжении фототок не равен нулю. Это значит, что при U =0 некоторая часть вырванных фотоэлектронов долетает до анода. Чтобы уменьшить фототок до нуля необходимо приложить между катодом и анодом задерживающую разность потенциалов (-U З ). При увеличении освещенности E фотокатода сила фототока будет увеличиваться, вольтамперная характеристика идет выше предыдущей. При некотором напряжении, равном U нас (напряжение насыщения), сила фототока достигает насыщения - I нас . Это значит, что при таком напряжении между катодом и анодом все вылетевшие с катода электроны достигнут анода. Из анализа вольтамперных характеристик были установлены следующие экспериментальные закономерности фотоэффекта (законы Столетова).

1. Сила фототока насыщения пропорциональна освещенности фотокатода (или интенсивности падающего света) при частоте света v = const.

=
, (2)

где γ-коэффициент пропорциональности.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов (или максимальная кинетическая энергия) не зависит от интенсивности падающего света и увеличивается с увеличением частоты света.

3. Для каждого вещества существует минимальная частота ν 0 (или максимальная длина волны λ 0 ), при которой ещё происходит вырывание электронов. Если частота света будет меньше ν 0 , то фотоэффект прекратится. Эта частота называется “красной границей” фотоэффекта .

Таким образом, для наблюдения фотоэффекта необходимо выполнения условия: νν 0 (λλ 0).

Наблюдаемые в опыте закономерности фотоэффекта оказалось невозможно объяснить с позиции классических или волновых представлений. Например, независимость скорости вылета фотоэлектронов от интенсивности света, поскольку с увеличением интенсивности падающей световой волны электронам должна бы передаваться бóльшая энергия. Невозможно также объяснить безинерционность фотоэффекта и наличие “красной границы”.

Качественное непротиворечивое объяснение фотоэффекта было дано A.Эйнштейном в 1905 году на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. В соответствии с этой теорией кванты света (фотоны) ведут себя подобно материальным частицам. Падающее монохроматическое излучение рассматривается как поток световых квантов - фотонов с энергией E =hν . Поглощение веществом света сводится к тому, что один фотон передаёт полностью свою энергию одному электрону вещества. Если эта энергия фотона достаточна, чтобы освободить электрон от удерживающих его внутри вещества связей, то происходит эмиссия электрона. Следовательно, число фотоэлектронов должно быть пропорционально числу поглощённых фотонов (что согласуется с первым законом Столетова). Энергия фотона hν увеличивается с частотой ν и, следовательно, энергия фотоэлектронов также должна увеличиваться с частотой падающего света, что согласуется также с опытом. Полученная электроном вещества энергия фотона перераспределяется следующим образом. Часть этой энергии, называемой работой выхода А , затрачивается на то, чтобы освободить электрон от удерживающих его внутри металла связей. Если фотон поглощается электроном не у самой поверхности металла, а на некоторой глубине, то часть энергии фотона, равная Е потерь , может быть рассеяна вследствие случайных столкновений электрона в веществе. Остаток энергии образует кинетическую энергию К электрона, покинувшего вещество. Таким образом

hν= А + Е потерь + К (3)

Для тех электронов, у которых Е потерь = 0, кинетическая энергия будет максимально возможной при А = const для данного металла. Для таких электронов равенство (3) перепишем в виде

(4)

Это выражение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно выполняет роль закона сохранения энергии для фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна следуют рассмотренные выше экспериментальные законы фотоэффекта. Например, из формулы (4) непосредственно вытекает второй закон Столетова

= hν – А (A= const).

Из уравнения (4) следует, что если уменьшать частоту падающего света v , то будет уменьшаться энергия фотона
, соответственно, будет уменьшаться кинетическая энергия фотоэлектронов при A = const для данного металла. Тогда при некотором значении частоты света v = кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю, и фотоэффект прекратится. Тогда из уравнения (4) следует

h= A + 0,

= (5)

То есть, существует некоторая граничная частота («красная граница») падающего света, ниже которой свет не вызывает фотоэффект. Этот вывод находится в соответствии с эмпирическим третьим законом фотоэффекта.

Выражение (5) определяет связь красной границы фотоэффекта с работой выхода. Работа выхода электронов из металла в сильной степени зависит от состояния поверхности металла, например, от находящихся на поверхности оксидов и адсорбированных газов. Поэтому долгое время не удавалось проверить с достаточной точностью формулу Эйнштейна.

Еще одной важной характеристикой фотоэффекта является спектральная чувствительность фотокатода, которая показывает зависимость чувствительности катода
от длины волныизлучения, падающего на фотокатод. Величиной, пропорциональной чувствительности фотокатода, является фототок. Таким образом, на практике для получения спектральной характеристики можно снимать зависимость фототока от длины волны (или от частоты) падающего на фотоэлемент (или фотокатод) монохроматического излучения. При больших длинах волн, то есть при малых энергиях квантов света, энергия, получаемая электроном, оказывается недостаточной для преодоления работы выхода и эмиссии электронов в вакуум. Поэтому для каждого металла существует его пороговая длина волны (наибольшая λ 0 =λ max) или пороговая частота (наименьшая ν 0 =ν max), которую мы выше определили как «красную границу» фотоэффекта. При малых длинах волн возрастает показатель поглощения. Поэтому глубина проникновения квантов света в металл уменьшается, и вероятность передачи энергии кванта света свободному электрону металла уменьшается. Таким образом, спектральная характеристика имеет вид кривой с максимумом, со спадом при малых длинах волн (рис.3).

Различные вещества имеют разную работу выхода, поэтому максимум спектральной характеристики фотокатода может находиться в той или иной части электромагнитного спектра.

Таким образом, фотоэлемент, иcпользуемый в лабораторной работе, является селективным фотоприёмником, то есть он “чувствует” излучение в строго определённой области спектра от λ 1 до λ 2 .

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Стерлитамакский филиал

федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Башкирский государственный университет»

Физико-математический факультет

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Курсовая работа

Явление внешнего фотоэффекта

Выполнил: студент II курса

Физико-математического факультета

очной формы обучения

группа Физ 21

Суханов Сергей Павлович

Научный руководитель:

к. ф.-м. н., доцент

Кутушева Раиса Муллагалиевна

Стерлитамак - 2015

Введение

Глава I. История открытия внешнего фотоэффекта

1.1 Законы фотоэффекта

1.2 Объяснение законов фотоэффекта

Глава II. Описание лабораторного опыта

2.1 Таблицы, графики

Глава III. Применение явления внешнего фотоэффекта

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Физика играет огромную роль в современном естествознании, в развитии современной техники и всех отраслей народного хозяйства. Это предопределяет значение курса физики в программах высшей школы. Цель курса физики в ознакомлении с основными физическими явлениями, их механизмом, закономерностями и практическими приложениями. Этим закладывается физическая основа для изучения общетехнических и специальных дисциплин. Правильное представление о природе физических явлений особенно важно при постановке новых вопросов, которые возникают в процессе практической деятельности инженера.

Изучение физики помогает формированию правильного диалектико-материалистического мировоззрения.

Роль физического практикума очень велика, потому что в лабораторной обстановке студент может воспроизвести явление и изучить его. Для изучения явления студент использует сложные стационарные приборы, выдвигает научные предположения для объяснения явления, делает выводы.

Методические указания на выполнение лабораторной работы «Изучение явления внешнего фотоэффекта» освещают развитие идей, приведших к осознанию непригодности классической физики для описания поведения микрообъектов, подводят к объяснению явлений, связанных с действием света с точки зрения квантовой теории. В теоретической части рассмотрены законы фотоэффекта и применение их к конструированию оптических приборов. Метод выполнения практической работы дает возможность самим убедиться в справедливости закономерностей фотоэффекта и построения графических закономерностей характеристик.

Цель работы: изучить явления внешнего фотоэффекта на примере исследования основных характеристик фотоэлементов:

· Эксперементальное изучение основных закономерностей фотоэффекта;

· Определение постоянной Планка;

· Определение работы выхода электрона и красной границы фотоэффекта.

ГЛАВА I. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЯВЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

В 1887 г. Г. Герц обнаружил, что если направить на отрицательный электрод искрового разрядника ультрафиолетовое излучение, то электрический разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствие освещения. Герцу не удалось дать правильного объяснения этому явлению. Опыты В. Гальвакса, и в особенности тщательные исследования А. Г. Столетова, проведенные в 1888 - 1889 гг., позволили понять сущность явления, обнаруженного Герцем: оно обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из металлического катода разрядника. В дальнейшем измерения удельного заряда этих частиц показали, что они представляют собой электроны. Явление выравнивания электронов из твердых и жидких тел под действием света называют внешним фотоэлектрическим эффектом, а вырванные таким образом электроны иногда называют фотоэлектронами.

Опыт Столетова.

Для исследования фотоэффекта Столетов собирал следующую схему (рис.1). На схеме металлическая пластинка К (фотокатод) соединена с отрицательным полюсом батареи.

Из графика на рис.2,а видно, что при некотором напряжении U величина фототока достигает максимального значения и далее остается постоянной при любых значениях. Это значит, что все электроны, вырываемые светом из фотокатода, достигают анода. Максимальный ток называется током насыщения при данном световом потоке Ф. Если изменять величину светового потока Ф, то получим семейство кривых для данного фотокатода (рис.2,б).

Положительный полюс через гальванометр соединен с металлической сеткой А (анод). Оба электрода находятся в стеклянном сосуде, из которого откачивается воздух. При освещении катода (пластины К) светом в цепи возникает ток, который регистрировался гальванометром. Этот ток получил название фототока, а электроны, вырываемые светом из катода, - фотоэлектронами. Фототок представляет собой движение к аноду электронов, вышедших из катода световым потоком.

1.1 ЗАКОНЫ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Столетов исследовал зависимость фототока от величины приложенного напряжения между анодом и катодом. При обобщении полученных данных Столетовым установлены три закона внешнего фотоэффекта.

I. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света(сила тока насыщения пропорциональна энергетической освещенности E e катода).

II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой н

III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

1.2 ОБЪЯСНЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Полученные опытным путем законы фотоэффекта не удалось объяснить на основе электромагнитной волновой теории света. С точки зрения этой теории электромагнитная волна, достигнув поверхности металла, вызывает вынужденные колебания электронов, отрывая их от металла. Но тогда требуется время для «раскачки» электронов, и при малой освещенности металла должно возникнуть заметное запаздывание между началом освещения и моментом вылета электронов. Далее, кинетическая энергия электронов, покидающих металл, должна зависеть от амплитуды вынуждающей силы и тем самым от напряженности электрического поля в электромагнитной волне. Однако все эти выводы противоречат законам фотоэффекта. Решение было найдено А. Эйнштейном в 1905 г. Из совершенно иных соображений. Законы фотоэффекта не удаётся объяснить с помощью законов классической физики, которую мы изучали до сих пор. Для их объяснения А. Эйнштейн в 1905 использовал идею, высказанную ранее немецким физиком М. Планком, согласно которой свет - поток частиц, фотонов. При этом энергия E каждого фотона, называемая квантом, равна:

где n- частота света, а h - коэффициент, названный постоянной Планка и равный 6,63 . 10 -34 Дж. с.

Эйнштейн предположил, что фотон может выбить с поверхности только один электрон, а электрону, чтобы вырваться из вещества, необходимо совершить работу выхода А вых. Тогда из закона сохранения энергии следовало, что при фотоэффекте энергия фотона h n должна быть равна сумме работы выхода А вых и кинетической энергии фотоэлектрона со скоростью v и массой m :

Уравнение (1.2), объясняющее все законы фотоэффекта, называют уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Чем больше фотонов, тем больше они выбивают фотоэлектронов. Это и является объяснением закона №1 фотоэффекта. Согласно (1.2) кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональная частоте света и не зависит от его интенсивности, что и объясняет закон №2 фотоэффекта. Из уравнения (1.2) следует, что фотоэлектрону необходимо совершить работу выхода А вых, и свет с частотой меньше л мин = А вых /h не будет вызывать фотоэффекта, что и объясняет закон №3 фотоэффекта.

ГЛАВА II. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ОПЫТА

Установка состоит за универсального монохроматора УМ-4, микроамперметра Ф195, вольтметра постоянного тока, сурьмяно-цезиевого вакуумного фотоэлемента (СВЦ), источников питания ВУП-24, ИЭПП-2. Свет на фотоэлемент поступает через его прозрачную часть.

Два электрода в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникший при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром.

2.2 ТАБЛИЦЫ И ГРАФИКИ

Табл. №1. Снятие прямой ветви вольтамперной характеристики фотоэлемента.

Вольтамперная характеристика представляет зависимость фототока от напряжения на электродах фотоэлемента при неизменном световом потоке. Из вольамперной характеристики видны следующие моменты:

· При отсутствии напряжения между электродами фототок отличен от нуля. Следовательно, фотоэлектроны при вылете с поверхности обладают кинетической энергией, следовательно долетают до анода и обуславливают ток.

· При некотором напряжении между катодом и анодом фототок достигает насыщения. Ток насыщения соответсвует тому состоянию, когда все фотоэлектроны, покидающие материал за 1 с, достигают анода.

Табл. № 2. Исследование световой харатеристики.

Из световой характеристики можно заметить, что при увеличении ширины входной щели, ток в цепи увеличивается. Это можно объяснить тем, что чем шире входная щель, тем больше электронов пролетаю через нее, вызывая при этом фототок.

Табл. № 3. Исследование спектральной характеристики фотоэлемента.

Интенсивность фотоэффекта зависит от длинны волны падающего света. При одной и той же мощности излучения сила тока насыщения будет разной для разных длин волн л. Зависимость чувствительности фотоэлемента от длины волны падающего света называется его спектральной характеристикой. фотоэффект спектральный постоянный планк

Работа выхода -- разница между минимальной энергией которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объёма твёрдого тела. Здесь «непосредственность» означает то, что электрон удаляется из твёрдого тела через данную поверхность и перемещается в точку, которая расположена достаточно далеко от поверхности. При этом пренебрегают дополнительной работой, которую необходимо затратить на преодоление внешних полей, возникающих из-за перераспределения поверхностных зарядов. Таким образом, работа выхода для одного и того же вещества для различных поверхностей оказывается различной.

При удалении электрона на бесконечность его взаимодействие с зарядами, остающимися внутри твёрдого тела приводит к индуцированию макроскопических поверхностных зарядов (при рассмотрении полубесконечного образца в электростатике это называют «изображением заряда»). При перемещении электрона в поле индуцированного заряда совершается дополнительная работа, которая определяется диэлектрической проницаемостьювещества, геометрией образца и свойствами других поверхностей. За счет этого полная работа по перемещению электрона из любой точки образца в любую другую точку (в том числе и точку бесконечности) не зависит от пути перемещения, то есть от того, через какую поверхность был удален электрон. Поэтому в физике твёрдого тела эта работа не учитывается и не входит в работу выхода.

Работа выхода во внешнем фотоэффекте - минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества под действием света.

Работа выхода электрона равна 1,66 эВ. равна 750 нм.

В результате облучения электроны, выбитые из электрода, могут достигнуть противоположного электрода и создать некоторый начальный ток. При увеличении напряжения, поле разгоняет электроны, и ток увеличивается, достигая насыщения, при котором все выбитые электроны достигают анода.

Если приложить обратное напряжение, то электроны тормозятся и ток уменьшается. При так называемом запирающем напряжении фототок прекращается. Согласно закону сохранения энергии:

где m- масса электрона, а х max - максимальная скорость фотоэлектрона.

Табл. № 4. Снятие зависимости запирающего напряжения от частоты н.

При увеличении напряжения, поле разгоняет электроны, и ток увеличивается, достигая насыщения, при котором все выбитые электроны достигают анода.

Постоянная Планка -- основная константа квантовой теории, коэффициент, связывающий величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой, так же как и вообще величину кванта энергии любой линейной колебательной физической системы с её частотой. Впервые упомянута Планком в работе, посвящённой тепловому излучению, и потому названа в его честь.

Значения постоянной Планка, полученные теоретически и эксперементально примерно равны.

ГЛАВА III. ПРИМЕНЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

1. В медецине

На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электроны попадают на люминесцентный экран. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое.

В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека.

Если сигнал с ЭОП подать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телевизора можно получить «тепловое» изображение предметов. Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом при цветном изображении, либо светом, если изображение черно-белое. Такая техническая система, называемая тепловизором, используется в термографии.

2. В технике.

Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке, а также передача движущихся изображений (телевидение).

В аэронавигации, в военном деле широкое применение нашли фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачны.

Сочетание фотоэффекта со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ): слабый пучок фотоэлектронов, ускоряясь попадает на ряд катодов, выбивая из каждого вторичные электроны и лавинообразно усиливаясь. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 106, т.е. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок.

На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фото-сопротивлений.

3. В полупроводниках.

Явление фотоэффекта получило широкое практическое применение. Приборы, в основе принципа действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами. Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют энергию излучения в электрическую лишь частично. Так как эффективность преобразования небольшая, то в качестве источников электроэнергии фотоэлементы не используют, но зато применяют их в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

Внутренний фотоэффект используют в фоторезисторах. Вентильный фотоэффект, возникающий в полупроводниковых фотоэлементах с p-n переходом, используется для прямого преобразования энергии излучения в электрическую энергию (солнечные батареи). Необходимые условия для возникновения внутреннего фотоэффекта- частица должна быть связанной, и энергия фотона должна превышать ее энергию связи. 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. Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 году японские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора - фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии. В преобразовании света новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечных батарей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, фотоэффект - это явление с освобождением электронов твердого тела под действием электромагнитного излучения.

· фототок насыщения пропорционален величине светового потока;

· фотоэффект носит пороговый характер: при длине волны излучения, большей л макс ("красная" граница), электроны не выбиваются. Значение л макс не зависит от величины светового потока;

· значение энергии электронов с увеличением частоты света (уменьшением л) не уменьшается, а растет. Причем растет линейно.

Объяснение свойств фотоэффекта с позиции квантовой физики принадлежит А. Эйнштейну: свет поглощается частями (квантами), имеющими энергию и получившими название фотон.

Электрон приобретает кинетическую энергию не постепенно (ускоряясь электрическим полем волны), а сразу - в результате единичного акта взаимодействия. В монохроматическом пучке все фотоны имеют одинаковую энергию hн. Увеличение интенсивности светового пучка означает увеличение числа фотонов в пучке, но не сказывается на их энергии, если частота остается неизменной. Зависимость задерживающего напряжения от частоты излучения, как мы видели, имеет вид прямой линии, наклон которой определяется значением постоянной Планка.

Таким образом фотонная теория добавляет новые свойства к обычным свойствам света (дифракции и поляризации). Она не требует отказа от старого представления о свете; она требует лишь сочетания концепции фотонов с концепцией электромагнитных волн.

Существует и немало других экспериментов, которые также показывают согласие фотонной теории с опытом.

Исследованное Вами явление вырывания светом электронов с поверхности металла названо внешним фотоэффектом. Но, как оказалось, фотон может передать свою энергию отдельному электрону атомной оболочки или нуклону ядра атома. Такое явление названо внутренним фотоэффектом. Необходимые условия: частица должна быть связанной, и энергия фотона должна превышать ее энергию связи. Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках (и в металлах тоже).

С помощью законов сохранения энергии и импульса можно показать, что фотон не может быть поглощен свободной частицей. В металле электрон взаимодействует с атомами кристаллической решетки. Поэтому при поглощении электроном фотона часть импульса фотона может быть передана кристаллической решетке металла.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) Богданов К.Ю., Учебник по физике для 11 класса - М.: Просвещение, 2010.

2) Геворкян Р.Г., Шепель В.В. Курс общей физики. - М.: Высшая школа, 1968.

3) Грабовский Р.И. Курс физики - Спб.:Лань, 2005.

4) Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. М.:Наука.1973 г.

5) Сивухин Д.В, Курс общей физики, Т-4. Оптика. Учебное пособие для вузов.- М.: Физматлит, 2002.

6) Тарасов Л.В. Введение в квантовую оптику: Учеб. пособие для вузов. -М.:Высш. шк., 1987.

7) Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов. - Изд. 9-е, перераб. и доп. - М.: Издательский центр «Академия», 2004.

8) http://physics.ru/

9) http://mgul.ac.ru/

10) http://bibliofond.ru/

11) http://edu.dvgups.ru/

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Открытие внешнего фотоэффекта немецким физиком Генрихом Герцем. Вывод уравнения фотоэффекта Эйнштейном. Корпускулярные свойства света. Внутренний, внешний и вентильный фотоэффект. Применение фотоэффекта в медицине. Внутренний фотоэффект в полупроводниках.

реферат , добавлен 29.10.2011

Макс Планк как основоположник квантовой физики. Исследование фотоэффекта Столетовым. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов. Определение массы фотона. Применение явления фотоэффекта в автоматизации станков на заводах, солнечных батареях.

презентация , добавлен 02.04.2012

Понятие фотоэффекта, его сущность и особенности, история открытия и изучения, современные знания. Законы Столетова, их значение в раскрытии свойств данного явления. Объяснение законов фотоэффекта с помощью квантовой теории света, уравнения Эйнштейна.

реферат , добавлен 01.05.2009

Виды фотоэффектов: внешний, внутренний, фотогальванический и в газообразной среде. Зависимость вольт-амперных характеристик внешнего фотоэффекта от интенсивности и частоты света. Гипотеза М. Планка о квантах и кватновая теория фотоэффекта Эйнштейна.

презентация , добавлен 25.07.2015

Виды фотоэлектрического эффекта. Внутренний и вентильный фотоэффект. Вольт-амперная его характеристика. Закон Столетова. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света. Масса и импульс фотона.

реферат , добавлен 24.06.2015

История открытия фотоэффекта. Схема установки, задачи и выводы Столетова. Основные законы, красная граница, применение фотоэффекта. Вакуумный фотоэлемент, фоторезисторы, вентильные фотоэлементы. Источники для бытовых и производственных нужд.

презентация , добавлен 10.05.2011

Теория фотоэффекта. Спектральные характеристики фотокатода. Работа выхода. Распределение электронов в металле. Селективный фотоэффект. Квантомеханическая теория фотоэффекта. Применение. Основные закономерности фотоэффекта.

реферат , добавлен 17.02.2003

Законы внешнего фотоэффекта. Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотона. Эффект Комптона. Тормозное рентгеновское излучение. Двойственная природа и давление света. Изучение основного постулата корпускулярной теории электромагнитного излучения.

презентация , добавлен 07.03.2016

Фотоэффект - испускание электронов телами под действием света. Первый, второй и третий закононы фотоэффекта. Фотоэффект широко используется в технике. На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов.

реферат , добавлен 10.05.2004

Открытие явления фотоэффекта не вписывалось в рамки классической физики. Это привело к созданию квантовой механики. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света. Дифракция электронов. Применение явления корпускулярно – волнового дуализма.