Второго закона фотоэффекта

Главная / Второго закона фотоэффекта

Объединение учителей Санкт-Петербурга

Основные ссылки

Фотоэффект.

Фотоэффект

Фотоэффектом называется испускание электронов с поверхности металла под действием света.

В 1888 г. Г. Герц обнаружил, что при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.

Фотоэффект можно наблюдать в следующих случаях:

1. Цинковую пластину, соединенную с электроскопом, заряжают отрицательно и облучают ультрафиолетовым светом. Она быстро разряжается. Если же ее зарядить положительно, то заряд пластины не изменится.

2. Ультрафиолетовые лучи, проходящие через сетчатый положительныйэлектрод, попадают на отрицательно заряженную цинковую пластину и выбивают из нее электроны, которые устремляются к сетке, создавая фототек, регистрируемый чувствительным гальванометром.

Законы фотоэффекта

Количественные закономерности фотоэффекта (1888—1889) были установлены А. Г. Столетовым.

Он использовал вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами. Через кварцевое стекло на катод попадает свет (в том числе ультрафиолетовое излучение). С помощью потенциометра можно регулировать напряжение между электродами. Ток в цепи измерялся миллиамперметром.

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 υmax — максимальная скорость фотоэлектрона.

Важнейшим свойством фотоэффекта является его безынерционность,которая не может быть объяснена с точки зрения волной теории.

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.

Т.к. сила тока определяется величиной заряда, а световой поток — энергией светового пучка, то можно сказать:

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

Второй закон

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

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

Третий закон

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

www.eduspb.com

Второго закона фотоэффекта

Цель работы: изучение явления фотоэффекта и определение постоянной Планка.

Фотоэффект — вырывание электронов из вещества под действием света. В металле электрон движется свободно, но при вылете его с поверхности сам металл из-за этого заряжается положительным зарядом и препятствует вылету. Поэтому для того, чтобы покинуть металл, электрон должен обладать дополнительной энергией, зависящей от вещества. Эта энергия называется работой выхода.

Для исследования фотоэффекта можно собрать установку, изображенную на рис. 1. Она состоит из стеклянного баллона, из которого выкачан воздух. Окно, через которое падает свет, сделано из кварцевого стекла, пропускающего видимые и ультрафиолетовые лучи. Внутри баллона впаяны два электрода: один из которых — катод — освещается через окно. Между электродами источник создает электрическое поле, которое заставляет двигаться фотоэлектроны от катода к аноду.

движущиеся электроны образуют электрический ток (фототок). При изменении напряжения меняется сила тока. График зависимости I от U — вольтамперная характеристика — приведен на рис. 2. При малых напряжениях не все вырванные из катода электроны достигают анода, при увеличении напряжения их число возрастает. При некотором напряжении все вырванные светом электроны достигают анода, тогда устанавливается ток насыщения Iн, при дальнейшем увеличении напряжения ток не изменяется.

При увеличении интенсивности падающего излучения наблюдается возрастание тока насыщения, пропорционального числу вырванных электронов. 1-й закон фотоэффекта утверждает, что количество электронов, вырванных светом с поверхности металла, пропорционально поглощенной энергии световой волны.

Для измерения кинетической энергии электронов нужно поменять полярность источника тока. На графике этому случаю соответствует участок при U 2 /2 = qU3, где m — масса электрона, v — его скорость, q — заряд. Т.е., измеряя задерживающее напряжение U3, мы определяем максимальную кинетическую энергию. Оказалось, что максимальная кинетическая энергия электронов зависит не от интенсивности света, а только от частоты. Это утверждение называют 2-м законом фотоэффекта.

При некоторой граничной частоте света, которая зависит от конкретного вещества, и при более низких частотах фотоэффект не наблюдается. Эта граничная частота носит название «красной» границы фотоэффекта.

Объяснил законы фотоэффекта А. Эйнштейн в 1905 г. Он воспользовался идеей Планка о квантовой природе света. Энергия одного кванта света E = hν . Если предположить, что один квант света вырывает один электрон, то энергия кванта Е идет на совершение работы выхода электрона А и на сообщение ему кинетической энергии mv 2 /2. То есть

Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна для фотоэффекта.

Объясним с позиций идеи Эйнштейна 1-й закон фотоэффекта. Если один квант энергии вырывает один электрон, то чем больше квантов поглощает вещество (чем больше интенсивность света), тем больше электронов вылетит из вещества.

Объясним второй закон фотоэффекта. Работа выхода А зависит от рода вещества и не зависит от частоты света. Кинетическая энергия электрона, вырванного из вещества, mv 2 /2=h — A зависит от частоты света ν : чем больше частота, тем большую кинетическую энергию получит электрон. Интенсивность света не влияет на кинетическую энергию электрона, потому что уравнение Эйнштейна описывает энергетику одного электрона. Не важно, сколько вылетит электронов, скорость каждого из них зависит от частоты.

Формула Эйнштейна объясняет и тот факт, что свет данной частоты из одного вещества может вырвать электрон, а из другого — не может. Для каждого вещества фотоэффект наблюдается в том случае, если энергия кванта света больше или, в крайнем случае, равна работе выхода (hν ≥ A). Предельная частота, при которой еще возможен фотоэффект, νmin = A/h. Это частота, при которой совершается вырывание электронов без сообщения им кинетической энергии, — частота «красной границы» фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна запишем для случая, когда кинетическая энергия электрона равна по величине работе сил электрического поля, то есть при задерживающем напряжении:

Построим график зависимости задерживающего напряжения от частоты (рис. 3). Из формулы видно, что зависимость U3 от ν является линейной. Тангенс угла наклона графика:

Отсюда постоянная Планка:

Эта формула служит для экспериментального определения постоянной Планка.

ido.tsu.ru

Законы Столетова;

1. Сила фототока насыщения пропорциональна электрической освещенности:

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте излучения, вызывающего фотоэффект и не зависит от интенсивности света:

где а – универсальный коэффициент пропорциональности не зависящий от вещества,

b – константа, зависящая от природы катода.

3. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν0 света (или max λ) при которой еще наблюдается фотоэффект.

Волновая теория оказалась бессильной объяснить закономерности фотоэффекта. Все её предсказания не согласуются с экспериментом.

Объяснение законов фотоэффекта было дано Эйнштейном в 1905г.

Он разработал фотонную теорию света, которая явилась дальнейшим развитием идеи Планка о дискретном характере излучателей света.

По Эйнштейну свет, частотой ν не только испускается, как это предлагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами). Эти кванты интерферируют, дифрагируют поглощаются как единое целое. Они получили названия фотоны (квант света). Каждый фотон с частотой ν обладает энергией:

Механизм фотоэффекта состоит в следующем: электрон, взаимодействуя с фотоном, поглощает его (фотон). Кинетическая энергия электрона увеличивается на величину энергии фотона hν. Передача энергии осуществляется мгновенно. Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии

уравнение Эйнштейна для

в случае «красной границы»

Внутренний фотоэффект– это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости или э.д.с.

В отличие от фотоэлемента с внешним фотоэффектом фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (их называют фотосопротивления) не обладают током насыщения, их чувствительность в сотни и тысячи раз больше, чем чувствительность фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

Вентильный фотоэффект – (фотогальванический) возникновение фото э.д.с. при освещении контакта двух разных полупроводников или п/п из металла.

Вентильный фотоэффект открывает возможности для преобразования солнечной энергии в электрическую ( электромобиль на солнечных батареях).

studopedia.su

Эйнштейном для объяснения фотоэффекта.

В большинстве случаев подобные фотоэффекты не находят объяснений и воспринимаются как какие-то нематериальные образования.

При этом происходят следующие первичные процессы: когерентное рассеяние, фотоэффект и комптон-эффект.

Каким бывает «фотоэффект»:

ФОТОЭФФЕ́КТ, -а, м. Физ. Явление, связанное с освобождением электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения.

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

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

Законы внешнего фотоэффекта:

Формулировка 1-го закона фотоэффекта (закона Столетова): Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения.

Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-й закон фотоэффекта: для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода A, покидает металл:

kartaslov.ru

Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!

Физика — рефераты, конспекты, шпаргалки, лекции, семинары

Внешний фотоэффект. Законы Столетова. Закон Эйнштейна

При поглощении световой энергии телами часть энергии превращается в электрическую энергию, в результате чего в телах может возникать или электродвижущая сила, или электрический ток, или изменение электрического сопротивления тел.

Все явления такого рода получили название фотоэлектрического эффекта, или фотоэффекта. Явление фотоэффекта открыл Г. Герц 1887 г. и исследовал русский физик А.Г. Столетов. Правда, они изучали так называемый внешний фотоэлектрический эффект, при котором падающий свет выбивает с поверхности металла электроны.

Для наблюдения внешнего фотоэффекта и изучение его законов используют схему, изображенную на рис. 13.2. Металлическая пластинка Р (катод) подключена к отрицательному полюсу батареи Е, второй ее полюс соединен через реостат (потенциометр) К и гальванометр G с пластинкой N (анодом). Обе пластинки Р и N располагаются в баллон, из которого выкачан воздух, чтобы столкновения электронов с молекулами газа не искажали наблюдаемые явления, а также чтобы предотвратить окисление пластинок Р iN. Поскольку такое электрическая цепь разомкнет-не, тока в нем нет. При освещении пластинки Р через кварцевое окошко (кварцевое стекло прозрачное для оптического излучения) из нее высвобождаются электроны (фотоэлектроны), которые попадают в электрическое поле между Р и N. Напряжение между Р и N можно изменять перемещением ползунка реостата К. Если поле достаточно сильное и направлено так, что электроны перемещаются от Р до N, то выбиты электроны с пластинки Р достигнут пластинки N, и через гальванометр будет проходить фототок, определяемый числом электронов, достигающие пластинки N за единицу времени. При увеличении внешнего напряжения, приложенного к фотоэлемента, фототок возрастает и достигает при заданном освещении максимального значения Is, которое называют током насыщения. Ток насыщения Is — это такой фототок, когда все фотоэлектроны, выбитые светом с пластинки Р, доягнуть пластинки N. Зависимость силы электрического тока (фототока) от внешнего напряжения (вольт-амперная характеристика фототока) показано на рис. 13.3. Если внешнее напряжение приложено в обратном направлении (по сравнению с показанным на рис. 13.3), фототок уменьшается и при определенной напряжения Ur равна нулю. Исследование фотоэлектрических явлений привели О. Г. Столетова к установлению таких законов фотоэффекта:

1. Фототок насыщения Is (максимальное число электронов, высвобождающихся светом за 1 с) прямо пропорционален световому потоку, падающего на катод.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности и.

Проведенные исследования доказали, что для каждого металла существует минимальная частота (максимальная длина волны), при которой скорость фотоэлектрона равна нулю. Эту частоту (длину волны) называют красной чертой фотоэффекта. Свет, имеет частоту, меньшую красную черту для определенного металла, не может освобождать из него фотоэлектронов. В этом случае фототок в цепи не возникать при любой интенсивности падающего света. Для примера приведем значения красной черты для некоторых металлов: для Li — 500 нм, Na — 540 нм, К — 550 нм, Hg — 273,5 нм, Fe — 262 нм, A g — 261 нм, Au — 265 нм. Следовательно, независимо от интенсивности падающего света фотоэффект возникает только при определенном значении длины волны света, которая является менее красную черту для определенного металла, а число высвобожденных электронов при заданной длине волны определяется интенсивностью света.

Исходя из представлений волновой теории света, которая господствовала в XIX в. и рассматривала свет как непрерывный волновой процесс, эти особенности фотоэффекта нельзя объяснить. Если электромагнитная (световая) волна падает на металл, то амплитуда колебаний электрона должна быть пропорциональна амплитуде электрического вектора световой волны, а следовательно, и интенсивности падающего света, поскольку она пропорциональна квадрату амплитуды электрического вектора. Тогда при любой длине волны, если свет имеет достаточно большую интенсивность, можно ожидать высвобождения электронов из металла, и, как следствие, красной черты фотоэффекта не будет существовать. К тому же с точки зрения волновой теории кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от интенсивности света, так как с увеличением интенсивности электрона передается большая энергия. Тогда и скорость фотоэлектронов имеет увеличиваться с увеличением интенсивности падающего света, что противоречит закону Столетова.

Основываясь на гипотезе Планка о квантах, Эйнштейн 1905 выдвинул квантовую теорию фотоэффекта. В отличие от Планка, который считал, что свет излучается квантами и рассматривал этот факт как свойство излучающих систем, А. Эйнштейн распространил корпускулярные свойства непосредственно на излучение. Он предположил, что свет не только излучается, но и распространяется и поглощается отдельными неделимыми порциями — квантами. Кванты являются частицами с нулевой массой, движущихся в вакууме со скоростью 299 792 км / с. Впоследствии эти частицы получили название фотонов. Однако существование фотонов — квантов света — не следует из существования неделимых порций излучения.

Идея квантов была настолько необычной, что сам автор ее длительное время рассматривал кванты как вспомогательный математический метод. Поэтому неудивительно, что теория фотонов с ее парадоксальным сочетанием волновых и корпускулярных свойств света, исключающие друг друга, долгое время не имела признание. В 1912 p. в рекомендации, подписанном крупнейшими немецкими физиками, в том числе М. Планком, об избрании А. Эйнштейна к Прусской академии наук говорилось о гипотезе световых квантов: «То, что он в своих рассуждениях иногда выходит за пределы, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком сильно ставить ему в упрек. Не решившись пойти на риск, нельзя осуществить истинно нового, даже в самом точном естествознании »*.

Из теории фотонов следует, что свет не только поглощается и излучается неделимыми частицами, а в промежутке между излучением и поглощением состоит из неделимых частиц, которые несут тем большую энергию, чем больше частота электромагнитных колебаний. Энергия частиц (квантов) света — фотонов — пропорциональна частоте и для света определенной частоты (монохроматического) составляет определенную величину е0 = hv> д eh — постоянная Планка. Корпускулярная структура света оказывается во многих экспериментах. Особенно ярко и убедительно подтверждается существование фотонов явлениями фотоэлектрического эффекта. Исходя из того, что свет состоит из фотонов, энергия которых hv9 рассмотрим столкновение такого фотона с электроном в металле, во время которого он передает свою энергию электрону. Если эта энергия больше работу выхода электрона (?v> Авых), то электрон вылетит из металла. Если hv

worldofscience.ru

Смотрите так же:

  • Иркутская палата адвокатов Иркутская палата адвокатов Смирнов Олег Валерьевич Адвокатское образование: адвокатский кабинет, Начало адвокатской деятельности: 1996 год, Награжден Медалью «За заслуги в защите прав и свобод граждан» 2 степени.e-mail: [email protected] Бусаргина Ольга Станиславовна Заместитель […]
  • Годовая медицинская страховка для визы Медицинская страховка для шенгенской визы: цены и особенности страхования для туристов Если вы решили съездить в одну из стран Европы, для поездки вам потребуется медицинская страховка для шенгенской визы. Страховой полис входит в обязательный список документов для получения […]
  • Освобождение от наказания в уголовном процессе Освобождение от уголовной ответственности Понятие и юридическая природа освобождения от уголовной ответственности В соответствии с задачами и принципами уголовного права реакция государства на нарушение установленных им уголовно-правовых запретов должна быть, с одной стороны, […]
  • Красноярск юрист жкх Юрист по ЖКХ Красноярск Гражданину, проживающему в многоквартирном доме, никак не избежать отношений с коммунальными службами, поскольку именно эти службы обеспечивают его теплом, электроэнергией, холодной и горячей водой. К сожалению, не все коммунальные службы и управляющие компании […]
  • Общая характеристика общей собственности Право общей собственности Понятие и виды права общей собственности 1. Понятие права общей собственности Общая собственность представляет собой принадлежность вещи не одному собственнику, а одновременно нескольким лицам (сособственникам). Например, братья как наследники после смерти отца […]
  • Ставка налогов в англии Налоговая система в Великобритании, налогообложение в Англии, налоги в Англии Cовременная система подоходного налогообложения в Великобритании была заложена реформой 1973 г. В результате этой реформы подоходный налог был унифицирован и приведен в стройную единую систему. Субъекты […]
  • Можно ли взять кредит если есть штрафы Дадут ли в банке кредит, если есть долг у судебных приставов Оформить заявку и получить ответ из банка всего за 30 минут→ Если есть долг у судебных приставов, то можно с полной уверенностью сказать, что новый кредит не дадут. Причем даже при полном погашении задолженности, не нужно […]
  • Калькулятор начисления пенсии с 2018 года Пенсионный калькулятор Россияне против повышения пенсионного возраста! Пенсия депутата безо всяких баллов привязана к его зарплате. Согласно вступившим в силу с начала 2017 года поправкам, депутаты и сенаторы, исполнявшие свои обязанности от пяти до десяти лет, имеют право на прибавку к […]