Что такое ток насыщения при фотоэффекте. Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта в технике

Теория

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 I н , 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 , на котором фототок падает до нуля. Теперь поле не разгоняет, а тормозит фотоэлектроны. При некотором напряжении, названном задерживающим U 3 , фототок исчезает. При этом все электроны будут остановлены полем, затем поле вернет их в бывший катод, подобно тому, как брошенный вверх камень будет остановлен полем тяготения Земли и возвращен снова на Землю.

Работа сил электрического поля A = qU 3 , затраченная на торможение электрона, равна изменению кинетической энергии электрона, то есть m v 2 /2 = qU 3 , где m - масса электрона, v - его скорость, q - заряд. Т.е., измеряя задерживающее напряжение U 3 , 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

hν = A + mv 2 /2 .

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, ν min = 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:

hν = A + qU 3 .

Отсюда U 3 = -A/q + (h/q)ν.

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

tg α = ΔU 3 /Δν = h/q .

Отсюда постоянная Планка:

h = qtg α = q ΔU 3 /Δν.

Эта формула служит для экспериментального определения постоянной Планка.

Введение

1. История открытия фотоэффекта

2. Законы Столетова

3. Уравнение Эйнштейна

4. Внутренний фотоэффект

5. Применение явления фотоэффекта

Список литературы

Введение

Многочисленные оптические явления непротиворечиво объясняли, исходя из представлений о волновой природе света. Однако в конце XIX – начале XX в. были открыты и изучены такие явления, как фотоэффект, рентгеновское излучение, эффект Комптона, излучение атомов и молекул, тепловое излучение и другие, объяснение которых с волновой точки зрения оказалось невозможным. Объяснение новых экспериментальных фактов было получено на основе корпускулярных представлений о природе света. Возникла парадоксальная ситуация, связанная с применением совершенно противоположных физических моделей волны и частицы для объяснения оптических явлений. В одних явлениях свет проявлял волновые свойства, в других – корпускулярные.

Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект , то есть испускание электронов веществом под действием света. Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах и сыграл чрезвычайно важную роль в развитии современных теоретических представлений. Вместе с тем фотоэлектрический эффект используется в фотоэлементах получивших исключительно широкое применение в разнообразнейших областях науки и техники и обещающих еще более богатые перспективы.

1. История открытия фотоэффекта

Открытие фотоэффекта следует отнести к 1887 г., когда Герц обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает проскакивание искры между ними.

Явление, обнаруженное Герцом, можно наблюдать на следующем легко осуществимом опыте (рис. 1).

Величина искрового промежутка F подбирается таким образом, что в схеме, состоящей из трансформатора Т и конденсатора С, искра проскакивает с трудом (один – два раза в минуту). Если осветить электроды F, сделанные из чистого цинка, светом ртутной лампы Hg, то разряд конденсатора значительно облегчается: искра начинает проскакивать Рис. 1. Схема опыта Герца.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза – если Планк предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантовых порций. Из представления о свете как о частицах (фотонах) немедленно следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

, – кинетическая энергия вылетающего электрона, – работа выхода для данного вещества, – частота падающего света, – постоянная Планка, которая оказалась ровно той же, что и в формуле Планка для излучения абсолютно чёрного тела.

Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта. Таким образом, исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантово – механических исследований.

2. Законы Столетова

Впервые (1888–1890), подробно анализируя явление фотоэффекта, русский физик А.Г. Столетов получил принципиально важные результаты. В отличие от предыдущих исследователей он брал малую разность потенциалов между электродами. Схема опыта Столетова представлена на рис. 2.

Два электрода (один в виде сетки, другой – плоский), находящиеся в вакууме, присоединены к батарее. Включенный в цепь амперметр служит для измерения возникающей силы тока. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов пришел к выводу, что наиболее эффективное действие оказывают ультрафиолетовые лучи. Кроме того, было установлено, что сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

В 1898 г. Ленард и Томсон методом отклонения зарядов в электрическом и магнитном полях определили удельный заряд заряженных частиц, вырываемых Рис. 2. Схема опыта Столетова.

светом из катода, и получили выражение

СГСЕ ед. з/г, совпадающее с известным удельным зарядом электрона. Отсюда следовало, что под действием света происходит вырывание электронов из вещества катода.

Путем обобщения полученных результатов были установлены следующие закономерности фотоэффекта:

1. При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.

2. Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.

3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждого металла величины

, называемой красной границей.

Первую закономерность фотоэффекта, а также возникновение самого фотоэффекта легко объяснить, исходя из законов классической физики. Действительно, световое поле, воздействуя на электроны внутри металла, возбуждает их колебания. Амплитуда вынужденных колебаний может достичь такого значения, при котором электроны покидают металл; тогда и наблюдается фотоэффект.

Ввиду того, что согласно классической теории интенсивность света прямо пропорциональна квадрату электрического вектора, число вырванных электронов растет с увеличением интенсивности света.

Вторая и третья закономерности фотоэффекта законами классической физики не объясняются.

Изучая зависимость фототока (рис. 3), возникающего при облучении металла потоком монохроматического света, от разности потенциалов между электродами (такая зависимость обычно называется вольт – амперной характеристикой фототока), установили, что: 1) фототок возникает не только при

, но и при ; 2) фототок отличен от нуля до строго определенного для данного металла отрицательного значения разности потенциалов , так называемого задерживающего потенциала; 3) величина запирающего (задерживающего) потенциала не зависит от интенсивности падающего света; 4) фототок растет с уменьшением абсолютного значения задерживающего потенциала; 5) величина фототока растет с ростом и с какого-то определенного значения фототок (так называемый ток насыщения) становится постоянным; 6) величина тока насыщения растет с увеличением интенсивности падающего света; 7) величина задерживающего Рис. 3. Характеристика

потенциала зависит от частоты падающего света; фототока.

8) скорость вырванных под действием света электронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты.

3. Уравнение Эйнштейна

Явление фотоэффекта и все его закономерности хорошо объясняются с помощью квантовой теории света, что подтверждает квантовую природу света.

Как уже было отмечено, Эйнштейн (1905 г.), развивая квантовую теорию Планка, выдвинул идею, согласно которой не только излучение и поглощение, но и распространение света происходит порциями (квантами), энергия и импульс которых.

Фотоэффектом называется явление вырывания электронов под действием света из жидких и твердых веществ.

2. Опишите принципиальную схему опыта Столетова. Что такое фототок и фотоэлектроны?

В вакуумную трубку помещали два электрода - катод и анод, которые подключали к источнику напряжения. Тока в цепи не было без освещения катода. При освещении вырываемые светом из катода электроны притягиваются к аноду.

Фототоком называется возникающий в цепи под действием света ток, а фотоэлектронами - вырванные электроны.

3. Сформулируйте три закона фотоэффекта и объясните вольтамперную характеристику при фотоэффекте. Как она будет выглядеть при большей интенсивности света?

Законы фотоэффекта:

1) фототок насыщения пропорционален интенсивности света, который падает на катод.

2) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света и прямо пропорциональна его частоте.

3) существует минимальная частота света для каждого вещества, ниже которой фотоэффект не возможен. Она называется красной границей фотоэффекта.

При малых напряжениях только часть фотоэлектронов достигает анода. Чем больше разность потенциалов, тем больше фототок. При некотором значении напряжения он становится максимальным, его называют фототоком напряжения. При большей интенсивности света фототок насыщения будет больше, и график пойдет выше.

4. Запишите и объясните уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Какую величину называют работой выхода?

Энергия фотона идет на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии и на совершение работы выхода. Работой выхода называют минимальную работу, которую необходимо совершить для удаления электрона из металла. Красная граница фотоэффекта.

Макс Планк

Квантовые свойства света

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями - квантами (или фотонами). Энергия Е каждого фотона определяется формулой Е = hv , где h - коэффициент пропорциональности — постоянная Планка, v - частота света. Опытным путем вычислили h = 6,63·10 -34 Дж·с. Гипотеза M.Планка объяснила многие явления, а именно, явление фотоэффекта , открытого в 1887 г. немецким ученым Г. Герцем. Далее фотоэффект изучил экспериментально русский ученый Столетов.

Фотоэффект и его законы

Схема опыта Столетова

Фотоэффект - это вырывание электронов из вещества под действием света.
В результате исследований было установлено 3 закона фотоэффекта :
1. Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растает с частотой света и зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах фотоэффекта нет.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых ) . Работа выхода - это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Она зависит от типа металла и состояния его поверхности. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид:

— это уравнение Эйнштейна.

Если hv < Авых , то фотоэффекта не происходит. Предельную частоту v min и предельную длину волны λ max называют красной границей фотоэффекта . Она выражается так: v min =A/h , λ max = λ кр = hc/A , где λ max (λ кр) – максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. Красная граница фотоэффекта для разных веществ различна, т.к. А зависит от рода вещества.

Применение фотоэффекта в технике.
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. На этом явлении (внутреннего фотоэффекта) основано устройство фоторезисторов. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в часах, микрокалькуляторах. Полупроводниковые фотоэлементы используются в солнечных батареях на космических кораблях, в первых автомобилях.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от интенсивности света.

hν = А вых + Е к(max)

Энергия падающего фотона расходуется на преодоление работы выхода электрона из вещества и сообщение электронам кинетической энергии

Работа выхода электронов из металла равна минимальной энергии, которой должен обладать электрон для освобождения с поверхности вещества.

Существует внешний и внутренний фотоэффект .

1. Фотоэффект невозможен, если энергии падающего фотона недостаточно для преодоления работы выхода, hν < А вых

2. Если hν min = А вых - порог фотоэффекта.

Частота и длина волны красной границы фотоэффекта:

ν min =А вых /hλ max =hc/A вых

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Кванты	Согласно Планку, любое излучение (в том числе и свет) со-стоит из отдельных квантов. Вследствие этого энергия излучения всегда равна энергии целого числа квантов. Однако энергия oтдельного кванта зависит от частоты.
Энергия кванта, или квант энергии	— частота излучения, Дж·с —постоянная Планка
Кванты излучения, частоты (или длины волн), которых соответствуют области видимого света, называются световыми квантами.
Связь между энергией и массой	— масса, отвечающая энергии W, м/с — скорость света в вакууме
Фотон	Квантование энергии означает, что излучение представляет собой поток частиц. Эти частицы называются фотонами,однако они не являются частицами в смысле классической физики.
Масса фотона	Дж·с— постоянная Планка, — частота излучения, — длина волны излучения, с — скорость света в вакууме
Фотоны всегда движутся со скоростью света; они не существуют в состоянии покоя, их масса покоя равна нулю
Импульс фотона
Фотоэффект	Испускание электронов веществом под действием света электромагнитного излучения.
Законы фотоэффекта
I. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света (закон Столетова).
II. Максимальная начальная скорость (максимальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой
III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частотасвета (зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.
Четырех учеников попросили нарисовать общий вид графика зависимости максимальной кинетической энергии электронов, вылетевших из пластины в результате фотоэф-фекта, от интенсивности / падающего света. Какой рисунок выполнен правильно?	Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света. Следовательно, правильно выполнен рисунок 4).
Схема для исследования фотоэффекта
Вольт-амперная характеристика фотоэффекта	Зависимость фототока I , образуемого потоком электронов, испускаемых под действием света, от напряжения U между электродами. — фототок насыще-ния.Определяется таким значением U, при кото-ром все электроны, испускаемые катодом, достигают анода.
— задерживающее напряжение. При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода.
Величина Uз не зависит от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света.	Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света
Фотоэлемент освеща-ют светом с определенными частотой и интенсивностью. На рисунке представ-лен график зависимости силы фототока в этом фотоэлементе от приложенного к нему на-пряжения. В случае увеличе-ния частоты без изменения ин-тенсивности падающего света график изменится. На каком из приведенных рисунков правильно показано изменение графика?	При неизменной интенсивности величина фототока не зависит от частоты. При изменении частоты изменяется запирающее напряжение. Этим условиям соответствует рисунок 1).
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта	А - работа выхода электронов Энергия падающего фо-тона расходуется на энер-гию выхода электрона из металла и на сообщение вылетающему электрону максимальной кинети-ческой энергии.
Это уравнение выведено на основе квантовой тео-рии фотоэффекта,соглас-но которой свет частотой v не только испускается,но и распространяетсяв пространстве и поглоща-етсявеществом отдельны-ми порциями (квантами), энергия которых
Слой оксида кальция облу-чается светом и испускает электро-ны. На рисунке показан график изменения максимальной кине-тической энергии фотоэлектро-нов в зависимости от частоты па-дающего света. Чему равна работа выхода фотоэлектронов из оксида кальция?	По графику находим: При ν = 1·10 15 Гц E k = 3·10 -19 Дж Из уравнения Эйнштейна A = h ν - E k A = 6,6·10 - 34 ·1·10 15 - 3·10 -19 = 3,6·10 -19 Дж = = 3,6·10 -19 /1,6·10 -19 = 2,25 эВ
На графике приведена зависимость фототока от прило-женного обратного напряжения при освещении металлической пластины (фотокатода) излу-чением с энергией 4 эВ. Чему равна работа выхода для этого металла?	Фототок прекращается при U з = 1,5 В. Следовательно, максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона E k = 1,6·10 -19 Кл·1,5 В/1,6·10 -19 Дж = = 1,5 эВ. Работа выхода электрона с поверхности пластины A = h ν - E k = 4 - 1,5 = 2,5 эВ
Красная граница фотоэффекта
— максимальная длина волны падающего света (— соответственно минимальная частота), при которой фотоэффект еще возможен.
Работа выхода выражается в электронвольтах	1эВ = 1,6·10 -19 Дж
Какой график соответствует зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлек-тронов Е от частоты падающих на вещество фотонов при фотоэффекте (см. рисунок)?	Фотоэлектроны приобретают максимальную кинетическую энергию в том случае, когда частота падающих фотонов превосходит красную границу фотоэффекта. На графике красной границе соответствует точка А. Следовательно, условиям задачи соответствует график 3.
Давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность	— коэффициент отражения; — энергия всех фотонов, падающих на единицу поверх-ности в единицу времени.
Объяснение давления света
на основе квантовой теории	Давление света на по-верхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверх-ностью передает ей свой импульс.
на основе волновой теории	Давление света на по-верхность обусловлено действием силы Лоренца на электроны вещества, колеблющиеся под дейст-вием электрического поля электромагнитной волны.