Теория фотоэффекта

1.

Лекция №6
Квантовая физика
Теория фотоэффекта

2.

Кто является основоположником
квантовой физики?
Макс Планк.
Великий немецкий физик – теоретик,
основатель квантовой теории

3. Гипотеза Планка

Планк пришел к выводу, что процессы
излучения и поглощения нагретым телом
электромагнитной энергии, происходят не
непрерывно, как это принимала классическая
физика, а конечными порциями – квантами.
Квант – это минимальная порция энергии,
излучаемой или поглощаемой телом.

4.

Гипотеза Планка(1900 год )
СВЕТ ИЗЛУЧАЕТСЯ
ОТДЕЛЬНЫМИ
ПОРЦИЯМИ – ФОТОНАМИ
ИЛИ КВАНТАМИ

5. Гипотеза Планка

По теории Планка, энергия кванта E прямо
пропорциональна частоте света:
h 6,63 10 34 Дж с

6. Энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:

E h
h-постоянная Планка
h 6,63 10
34
Дж с 4,1 10
15
эВ с

7. История фотоэффекта.

Фотоэлектрический эффект был
открыт в 1887 году немецким
физиком Г. Герцем и в 1888–
1890 годах экспериментально
исследован А. Г. Столетовым

8. НАБЛЮДЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА

Фотоэффект

9. Наблюдение фотоэффекта

0
Явление выхода
(вырывания)
электронов из
вещества под
действием света
получило название
фотоэлектрического
эффекта фотоэффекта

10. История изучения

В 1839 году французский физик Александр Беккерель
наблюдал явление фотоэффекта в электролите.
В 1873 году английский инженер-электрик
Уиллоуби Смит обнаружил, что селен является
фотопроводящим.

11.

Затем эффект изучался в 1887 году Генрихом Герцем. Чтобы лучше
видеть искру в своих опытах, Герц поместил приёмник в затемнённую
коробку. При этом он заметил, что в коробке длина искры в приёмнике
становится меньше. Тогда Герц стал экспериментировать в этом
направлении, в частности, он исследовал зависимость длины искры в
случае, когда между передатчиком и приёмником помещается экран из
различных материалов. Полученные результаты явились открытием
нового явления в физике, названного фотоэффектом.

12. Открытие фотоэффекта

1886 – 1889 года,
наблюдение
фотоэффекта
Немецкий физик
Генрих Герц
Обнаружил
фотоэффект

13.

1888-1890 годах фотоэффект
систематически изучал русский физик
Александр Столетов. Им были сделаны
несколько важных открытий в этой области, в
том числе выведен первый закон внешнего
фотоэффекта.

14.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном на
основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света (за что в 1921
году Энштейн, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма
Озеена, получил Нобелевскую премию). В работе Эйнштейна содержалась
важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет
излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что
свет и существует только в виде квантованных
порций. Из закона сохранения энергии, при
представлении светав виде частиц (фотонов),
следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:
v
mv
h =A + 2
вых
2

15. 1905 год

ПО ГИПОТЕЗЕ
ЭЙНШТЕЙНА СВЕТ НЕ
ТОЛЬКО ИЗЛУЧАЕТСЯ , НО И
ПОГЛОЩАЕТСЯ ОТДЕЛЬНЫМИ
ПОРЦИЯМИ – ФОТОНАМИ ИЛИ
КВАНТАМИ

16. Законы фотоэффекта

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

17. 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

18. Второй закон фотоэффекта

Кинетическая
энергия
фотоэлектронов
не зависит от
интенсивности
падающего
света, а зависит
от его частоты.

19. Третий закон фотоэффекта

Для каждого вещества
существует красная граница
фотоэффекта, т. е. существует
наименьшая частота min, при
которой еще возможен
фотоэффект

20. Внешний 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.

21. Внутренний фотоэффект

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 или вентильного
фотоэффекта.

22. Фотон

Фото́ н — элементарная частица, квант электромагнитного излучения
(в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная
существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд
фотона также равен нулю. Фотону как квантовой частице свойственен
корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства
частицы и волны. В физике фотоны обозначаются буквой γ. Фотон —
самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один
нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.

23. ТЕОРИЯ ФОТОЭФФЕКТА

Свет - поток частиц (квантов)
2. Квант поглощается электроном целиком. При этом энергия
кванта передается этому электрону.
3. Е = hν - энергия кванта света.
1.
Работа в электрическом поле: A = qU
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

24. эВ- электрон- Вольт 1эВ= 1,6*10-19Дж me= 9,1*10-31кг

25. В начале ХХ в. Макс Планк ввел понятие кванта: элементарной частицы энергии. Эйнштейн применил это открытие к волновому

излучению, которое распространяется небольшими частицами
энергии(1905г). Он назвал эти частицы квантами света, или
фотонами. Именно это открытие, а не теория
относительности принесла ему Нобелевскую премию (1921г.).
- немецкий физиктеоретик, один из
основателей
современной физики,
создатель теории
относительности, автор
основополагающих
трудов по квантовой
теории и статистической
физике.
ЭЙНШТЕЙН Альберт
(1879- 1955)

26.

27. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Альберт Эйнштейн
1905 г.
Развитие идеи Планка:
Свет не только излучается
.
и поглощается , но и
существует в виде
отдельных квантов.
Объяснение законов
фотоэффекта
mv 2
h A
2

28. УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА

1.
1.
hν < Aвых, фотоэффект не происходит
hνmin = Aвых Работа выхода зависит от рода вещества,
отсюда и красная граница - это характеристика данного
вещества.

29. Работа выхода.

Энергию связи электрона в металле
характеризуют работой выхода
A=h min
Работа выхода – минимальная работа, которую
нужно совершить для удаления электрона из металла

30. Максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла. Она может быть определена:

m v
e U З
2
2
U3 -задерживающее напряжение.

31. Красная граница фотоэффекта

Для каждого вещества существует красная граница
фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота
min, при которой еще возможен фотоэффект.
A
min
h
h
c
max
A

32.

Красная граница фотоэффекта –
A
h
в
min

33.

Длина волны красной границы фотоэффекта
:

34. При максимальной длине волны падающего света электроны выбиваются с поверхности металла, но не получают кинетическую энергию.

hc
Aвых
max
hc
max
Aвых

35. Энергия кванта

Е h
m
h
c
2
h h
p mc
c

36. Применение фотоэлементов

Приемники изображений в
телевидении и приборах
ночного видения
Автоматические двери
Солнечные батареи
В комбинации с реле –
«видящие автоматы»
(турникеты метро, маяки,
уличное освещение и т.д.)

37.

38.

Свет может излучаться, распространяться и поглощаться отдельными
порциями (квантами).
Энергия кванта E=hν , где h = 6,63 ∙ 10−34 Дж ∙ с
-постоянная Планка, ν- частота света.
Фотон - частица, несущая квант энергии
электромагнитного излучения.
Свойства фотона:
1) движется со скоростью света;
2) существует только в движении;
3) масса равна нулю;
4) при взаимодействии с веществом полностью
поглощается или отражается.
hν
Импульс фотона