Фотоэффект. Опыты А.Г. Столетова

1.

ФОТОЭФФЕКТ
© ГБОУ СОШ № 591 Невского района Санкт-Петербурга
Учитель: Григорьева Л.Н.

2.

ЧАСТЬ 1
Фотоэффект.
Опыты А. Г. Столетова

3.

Открытие фотоэффекта
Важнейшую роль в развитии квантовых представлений о природе света
сыграло явление, которое было открыто и описано Г. Герцем в его
знаменитых опытах, и впоследствии подробно изучено русским
физиком А. Г. Столетовым.
Это явление получило название фотоэлектрический эффект,
сокращенно, фотоэффект.

4.

Открытие фотоэффекта
Пытаясь улучшить условия приема
электромагнитных волн, Герц попробовал
облучать шарики приемного вибратора
ультрафиолетовым светом.
Он не исследовал это явление, а просто
описал его как наблюдаемый факт: если
облучать шарики приемного вибратора
ультрафиолетовыми лучами, то прием
волны становится устойчивым и надежным.
Г. Герц
(1857 - 1894)

5.

Открытие фотоэффекта
А. Г. Столетов в 1888 году “переоткрыл” фотоэффект.
А. Г. Столетов
(1839 - 1896)

6.

Открытие фотоэффекта
Столетов обнаружил, что заряженный
отрицательным зарядом электрометр быстро
теряет заряд, если облучать светом
электрической дуги цинковую пластину,
присоединенную к нему.
В то же время электрометр, имеющий
положительный заряд, не меняет своего
заряда при таком же облучении
ультрафиолетовым светом.

7.

Объяснение наблюдаемого явления
если свет вырвал электрон,с
поверхности отрицательно
заряженной поверхности, то под
действием электрического поля
пластины он движется от нее
если электрон вырывается с
поверхности положительно
заряженной пластины, то
немедленно возвращается на нее
электрическим полем

8.

Объяснение наблюдаемого явления
Фотоэффект состоит в том, что свет, падая на металлическую поверхность
(в металлах много свободных электронов), выбивает из нее электроны.
Поскольку электроны - заряженные частицы, которые под действием
электрического поля создают ток, то количественное исследование
связано с измерением силы тока. Для этого пластину, из которой
выбиваются “фотоэлектроны”, следует включить в электрическую цепь.

9.

Исследования А. Г. Столетова
Свет
электрической
дуги
Вольтметр измеряет
напряжение между
катодом и анодом
Миллиамперметр измеряет силу тока
в цепи анода
Потенциометр позволяет плавно
менять напряжение между анодом и
катодом от нуля до некоторого
максимального значения, примерно
равного ЭДС батареи.

10.

План исследования
1. I(U) - вид зависимости, физический смысл
характерных точек
2. I(U) при разных значениях светового потока
постоянного спектрального состава
3. I(U) при освещении светом разного спектрального
состава
4. I(U) для разного материала катода

11.

Вид зависимости I(U)
Начиная с некоторого значения
напряжения сила тока в цепи
анода перестает изменяться,
достигнув своего насыщения
Когда между анодом и
катодом электрическое
поле отсутствует, сила
тока не равна нулю
При U = 0, I0 ≠ 0, следовательно, электроны, выбитые светом из катода,
обладают кинетической энергией.
Если за t =1 с из катода вылетают N электронов, то их суммарный заряд
составляет: |q| = |e|N I = const = Iнас
Iнас ∼ N
т.е. сила тока насыщения прямо пропорциональна числу электронов,
выбитых светом за 1 с

12.

Вид зависимости I(U)
Полярность батареи поменяли на противоположную. Электроны движутся в
тормозящем поле.
При таком значении
напряжения сила тока в
цепи анода равна нулю.
Напряжение, при котором фототок прекращается - запирающее
напряжение (Uз) - позволяет рассчитать максимальную кинетическую
энергию фотоэлектронов в этом опыте.

13.

Изменение интенсивности светового потока
Световой поток, падающий на фотокатод увеличивается, а его спектральный
состав остается неизменным: Ф2
> Ф1
Значение запирающего
напряжения остается
постоянным
Сила тока насыщения:
Iнас 2 > Iнас1

14.

Изменение частоты падающего света
При помощи светофильтров изменяли частоту падающего света.
При этом изменяется запирающее напряжение: U3 > U2 > U1 > U0
Значение запирающего напряжения увеличивается при увеличении
частоты падающего на катод света

15.

Изменение частоты падающего света
При частоте света ν
= νmin запирающее напряжение равно нулю: Uзап = 0
При частоте света меньшей минимальной ν
фотоэффект отсутствует
< νmin

16.

Появление фототока
В своих опытах А.Г. Столетов обнаружил, что фототок в цепи появлялся, как
только он включал источник света.
Т.е. фотоэффект практически безынерционен.
Современные опыты показывают, что запаздывание в появлении фототока
составляет не более 10-9 с.

17.

Законы фотоэффекта
1. Количество электронов, выбиваемых светом с
поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально
энергии световой волны, поглощаемой за это же
время.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов
линейно растет с частотой света и не зависит от
интенсивности света. Для каждого металла
существует красная граница фотоэффекта:
фотоэффект возникает, если частота света равна или
превышает значение минимальной частоты света,
постоянной для данного металла.
3. Фотоэффект практически безынерционен.

18.

ЧАСТЬ 2
Теория фотоэффекта

19.

ТЕОРИЯ ФОТОЭФФЕКТА
Объяснение фотоэффекта впервые было дано
А. Эйнштейном, развившем идеи М. Планка о
прерывистом испускании света атомами. Он
предположил, что в процессах поглощения квант
света сохраняет свою индивидуальность
(определяемую частотой) и может быть поглощен
только целиком и сразу.
Каждый акт поглощения кванта света
сопровождается выбиванием одного электрона.
Энергия кванта целиком передается одному
электрону.
А. Эйнштейн
1879 - 1955

20.

ТЕОРИЯ ФОТОЭФФЕКТА
1. Свет - поток частиц (квантов)
2. Квант поглощается электроном целиком. При этом энергия кванта
Работа выхода
передается этому электрону.
из металла
3. W = hν - энергия кванта света.
Энергия кванта
Максимальная кинетическая
энергия выбитого электрона
Работа в электрическом поле: A = qU
⦏A⦎ = эВ 1 эВ - работа, которую совершает электрическое поле при перемещении
электрона между двумя точками, напряжение между которыми равно 1 В.
1 эВ = 1,6 · 10-19 Кл · 1 В = 1,6 · 10-19 Дж

21.

УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА
1.
2.
hν < Aвых, фотоэффект не происходит
hνmin = Aвых Работа выхода зависит от рода вещества, отсюда и
красная граница - это характеристика данного вещества.
3. nn
1.
hν = hνmin+ ⎟e⎪U3
⎟e⎪U3 = hν - hνmin= h( ν - νmin),
постоянной Планка
отсюда ⭆ определение

22.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

23.

Справочные материалы
Металл
Химический
символ
Работа выхода, эВ
Алюминий
Al
4,1
Железо
Fe
4,5
Кобальт
Co
3,9
Медь
Cu
4,7
Натрий
Na
2,28
Платина
Pt
6,3
Свинец
Pb
4,1
Серебро
Ag
4,7
Цинк
Zn
4/3

24.

Рассмотрим решение
некоторых задач

25.

Чему равна длина волны красной границы фотоэффекта для цинка?
Работа выхода для цинка Авых = 3,74 эВ.

26.

Цезий освещается светом с длиной волны 0,476 мкм. Какую наименьшую
задерживающую разность потенциалов нужно приложить, чтобы фототок
прекратился? (для цезия Авых = 1,88 эВ)

27.

Желаю успехов!