Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 11 клас>> Фізика: Фотоелектричний ефект. Закони фотоефекту. Кванти світла. Рівняння фотоефекту

ФОТОЕЛЕКТРИЧНИЙ ЕФЕКТ. ЗАКОНИ ФОТОЕФЕКТУ. КВАНТИ СВІТЛА. РІВНЯННЯ ФОТОЕФЕКТУ

Наприкінці XIX ст. фізика досягла вершини свого розквіту — вона спроможна була пояснити більшість явищ реального фізичного світу. Закономірності механічного руху успішно описувала класична механіка Ньютона, теплові явища і процеси докладно пояснювали молекулярно-кінетична теорія і термодинаміка, електромагнітна теорія Максвелла не залишила «білих плям» в електродинаміці і вичерпно пояснила поширення світла як електромагнітного випромінювання.

На чистому небосхилі класичної фізики було лише дві хмарки, які, однак, згодом викликали грозу. Це: 1) неузгодженість експериментальних результатів теплового випромінювання з теоретичним обґрунтуванням цих явищ; 2) неможливість пояснення деяких явищ мікросвіту, дослідження яких у той час активізувалися, з позицій класичних уявлень про будову речовини. Крім того, на початку XX ст. А. Ейнштейн створив теорію відносності, де дав універсальне тлумачення просторово-часових властивостей фізичного світу на підставі їх єдності й універсальності.

Сучасна фізика зароджувалася на межі XIX і XX ст. Вона виникала на фундаменті класичної фізики, але переглянулаїї основи. Теорія відносності пояснювала фізичні явища з позицій єдності простору і часу. Квантова фізика запропонувала розглядати природу взаємодії з погляду її дискретності, квантування

Наприкінці XIX — на початку XX ст. фізики отримали низку вагомих результатів, які спонукали їх переглянути основи класичної фізики і потребували іншого теоретичного обґрунтування та пояснення досліджених явищ. Це були досліди з вивчення залежності довжини хвилі випромінювання абсолютно чорного тіла від температури, виконані англійськими фізиками Дж. Релеєм і Дж. Джинсом; відкриття радіоактивності французьким ученим А. Беккерелем і спостереження А'-променів німецьким дослідником В. К. Рентгеном, названі згодом на його честь рентгенівськими; відкриття електрона англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном і фундаментальні досліди щодо будови атома, виконані Е. Резерфордом.

У 1900 р. німецький фізик Макс Планк, пояснюючи розподіл енергії теплового випромінювання, висунув гіпотезу, що енергія випромінюється не безперервно, а певними дискретними порціями — квантами. Він вважав, що енергія такого кванта пропорційна частоті випромінювання (є ~ v). Завдяки такому припущенню М. Планк отримав формулу розподілу енергії теплового випромінювання, яка узгоджувалася з експериментальними даними в усьому інтервалі температур — від низьких до високих.

Увівши коефіцієнт пропорційності h, названий сталою Планка, можна обчислити квант енергії:

Стала Планка — це фундаментальна фізична константа, що дорівнює

h = 6,626176 · 10^-34Дж · с.

Гіпотеза М.Планка: теплове випромінювання здійснюється певними мінімальними порціями енергії — квантами. Квант енергії пропорційний частоті випромінювання: є = hv, де h — константа (стала Планка); v — частота випромінювання

Так на межі XIX і XX ст. зародилася сучасна фізика, яка поглибила розуміння суті фізичного світу й усунула протиріччя, що існували в класичній фізиці. Сучасну фізику інколи називають квантовою, підкреслюючи тим самим дискретний характер опису фізичних взаємодій і руху мікрочастинок.

ФОТОЕФЕКТ. РІВНЯННЯ ФОТОЕФЕКТУ

У 1887 році Г. Герц спостерігав явище, яке згодом стало поштовхом у розвитку квантових уявлень про природу світла. Під час опромінення ультрафіолетовим світлом негативно зарядженої пластинки відбувався сильніший електричний розряд, ніж за відсутності такого опромінення. Як з'ясувалося пізніше, це було проявом явища фотоефекту — виходу електронів з тіла в інше середовище або вакуум під дією електромагнітного випромінювання. Цей вид фотоефекту називають зовнішнім, або фотоелектронною емісією.

Фотоефект є результатом трьох послідовних процесів: поглинання фотона, внаслідок чого енергія одного електрона стає більшою за середню; руху цього електрона до поверхні тіла; виходу його за межі тіла в інше середовище через поверхню поділу.

У 1888—1889 р. це явище докладно вивчав російський учений О. Г. Столєтов (1839— 1896). Він виготовив конденсатор, одна з обкладок якого С була сітчастою, й увімкнув його в електричне коло з гальванометром (мал. 6.1).

Коли на негативно заряджену цинкову обкладку Р падає ультрафіолетове світло, у колі виникає струм, який фіксує гальванометр. Якщо джерело струму Е увімкнути протилежно (обкладку Р приєднати до позитивного полюса), то струм у колі не йтиме. За допомогою потенціометра R напругу на конденсаторі можна змінювати.

Вивчивши за допомогою такої установки залежність сили струму від частоти хвилі світла, його інтенсивності, інших характеристик випромінювання, О. Г. Столєтов установив три закони фотоефекту:

1) число електронів, що вилітають із поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання, пропорційне його інтенсивності;
У 1888 р. німецький фізик В.Гальвакс встановив, що під дією світла металева пластинка заряджається позитивно

2) для кожної речовини залежно від її температури і стану поверхні існує мінімальна частота світла VQ, за якої ще можливий зовнішній фотоефект;

3) максимальна кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти опромінення і не залежить від його інтенсивності.

При поясненні цих висновків на основі хвильової теорії виникли протиріччя між її положеннями й одержаними результатами. Це змусило вчених шукати інше тлумачення механізму поглинання світлового випромінювання. З цією метою А. Ейнштейн застосував квантові уявлення про природу світла і на їх основі вивів рівняння фотоефекту.

Як відомо, для того щоб електрон покинув тверде тіло або рідину, він має виконати роботу виходу A₀, тобто подолати енергетичний бар'єр взаємодії з атомами і молекулами, які утримують його всередині тіла. За квантовою теорією поглинання світла, це передавання фотоном усієї своєї енергії мікрочастинкам речовини. Отже, фотоефект може відбутися лише за умови, що фотон має енергію більшу за роботу виходу (hv > A₀); якщо ж hv < А₀, ТО фотоефект неможливий. Якщо енергія фотона, передана електрону внаслідок поглинання світла, більша за роботу виходу, то електрон набуває кінетичної енергії.

Мінімальну частоту v₀ (або максимальну довжину хвилі ₀) випромінювання, яке ще викликає зовнішній фотоефект, називають червоною межею фотоефекту

Фотоелектрони — це електрони, вибиті з поверхні тіла внаслідок фотоефекту

Фізичний зміст роботи виходу в металів полягає в тому, що це мінімальна енергія, потрібна для виходу електрона з тіла у вакуум. Тому, крім хімічної природи металу, вона істотно залежить від стану поверхні тіла

За законом збереження енергії:

Це співвідношення називають рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту. За пояснення законів зовнішнього фотоефекту А. Ейнштейн у 1922 р. був удостоєний Нобелівської премії.

Отже, обгрунтування явища фотоефекту на основі квантових уявлень про природу світла стало переконливим доказом корпускулярних властивостей електромагнітного випромінювання і започаткувало розвиток квантової фізики.

Приклад. Чи відбудеться фотоефект у разі опромінення цинкової пластинки ультрафіолетовим світлом довжиною хвилі 200 нм? Яку максимальну швидкість можуть мати фотоелектрони при цьому? Робота виходу електрона для цинку дорівнює  4,24 еВ.

За допомогою рівняння Ейнштейна можна пояснити всі три закони фотоефекту. Справді, інтенсивність монохроматичного випромінювання пропорційна числу фотонів, що падають на поверхню за 1 с: /~ Nф. У свою чергу, від числа фотонів залежить число вибитих із поверхні тіла електронів N_e. Отже, N_е ~ /.

За граничних умов червоної межі фотоефекту кінетична енергія електрона дорівнює нулю. Тому червона межа фотоефекту визначається лише роботою виходу і залежить від хімічної природи металу, наявності домішок і стану його поверхні:

Електрон-вольт (еВ) — це одиниця енергії, еквівалентна

1,6 · 10^-19Дж

Межу фотоефекту називають «червоною», тому що в разі зміщення довжини хвилі в бік червоного світла ( > ₀) фотоефект не відбувається

ЕФЕКТ КОМПТОНА

Значним кроком у підтвердженні квантової гіпотези було відкриття у 1922 р. американським ученим А. Комптоном явища, яке спостерігається під час розсіювання рентгенівського випромінювання в речовині.

Спрямувавши рентгенівське проміння певної довжини хвилі  на досліджувану речовину (мал. 6.2), учений зафіксував зростання довжини хвилі розсіяного випромінювання.

Це явище, назване ефектом Комптона, остаточно підтвердило корпускулярні властивості світла і стало переконливим доказом квантової гіпотези.

Рентгенівське випромінювання (Х-промені) — електромагнітне випромінювання з меншою, ніж у видимого світла, довжиною хвилі
(~ 10^-8 ... 10^-12м)

Монохроматичні рентгенівські промені Р довжиною хвилі , проходячи крізь діафрагму Д, потрапляють вузьким пучком на пластинку 77. Внаслідок розсіювання частина з них відхиляється на певний кут . За допомогою спеціального приладу — спектрографа С можна виміряти кут відхилення  і довжину хвилі ' розсіяного рентгенівського випромінювання.
Досліди Комптона показали, що розсіяне рентгенівське проміння має більшу довжину хвилі, ніж падаюче: ' > . Він встановив, що їх різниця Δ = ' -  не залежить від довжини хвилі падаючого проміння і хімічної природи речовини, що розсіює випромінювання:

де _k — стала, яку називають комптонівською довжиною хвилі.

Класична хвильова теорія розсіювання неспроможна була пояснити ефект Комптона, оскільки вона стверджувала, що довжина хвилі розсіяного світла не повинна змінюватися, адже під дією випромінювання в речовині виникають електромагнітні хвилі тієї самої частоти, що й падаючого світла.

Рентгенівські промені розсіюються речовиною таким чином, що довжина хвилі розсіяного випромінювання ' більша за довжину хвилі падаючого рентгенівського випромінювання

_к = 2,43 · 10^-12м

Це явище теоретично обґрунтував А. Комптон на основі квантової гіпотези. Він припустив, що часткове розсіювання фотонів відбувається на вільних або слабко зв'язаних електронах за законами пружного удару. Під час співудару падаючий фотон передає частину свого імпульсу електрону (мал. 6.3).

За законом збереження імпульсу:

звідси р_ф < р_о, або  тобто '  > , що й було одержано в експерименті.

Установлено, що ефект Комптона не спостерігається в діапазоні видимого світла або ультрафіолетового випромінювання, де має місце явище фотоефекту. Це пояснюють тим, що енергія світлового кванта сумірна з енергією зв'язку електрона в атомі, і тому фотон може поглинатися атомом, зумовлюючи фотоефект. Однак явище розсіювання не спостерігатиметься, оскільки електрон не можна вважати вільним або слабко зв'язаним.

Енергія фотона оптичного діапазону знаходиться в межах

З · 10^-19 — 40 · 10^-19 Дж

або 2—25 еВ.

Енергія рентгенівського фотона становить понад 250 еВ

Рентгенівський фотон має набагато більшу енергію, яка перевищує енергію зв'язку електрона в атоміг і тому електрон можна вважати вільним. Його зіткнення з фотоном відбувається за законами пружного удару, і тому відбувається розсіювання променів, яке супроводжується збільшенням довжини хвилі випромінювання.

ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ ФОТОЕФЕКТУ

Різні прояви явища фотоефекту знайшли широке практичне застосування в техніці. Зокрема, у напівпровідників було виявлено також внутрішній фотоефект, який проявляється у зростанні електропровідності та виникненні ЕРС під час їх опромінення.

Фотопровідність — зростання електропровідності напівпровідників під дією світла

рухомих носіїв заряду (електронів і дірок) під дією електромагнітного випромінювання. Фотон, поглинаючись напівпровідником, віддає електронам усю свою енергію; внаслідок цього вони можуть стати вільними і збільшиться число електронів провідності й дірок (так звана власна фотопровідність). Отже, фотопровідність напівпровідників зростає пропорційно інтенсивності опромінення — чим вона більша, тим більший електричний струм. Вона також залежить від частоти випромінювання, проте характер цього зв'язку складніший. Ці властивості напівпровідників використовують у фоторезисторах і фотодіодах.

Фоторезистор — це напівпровідниковий прилад (мал. 6.4),

опір якого змінюється залежно від його освітленості: чим більша сила світла, що на нього падає, тим менший його опір. Адже під дією світла у напівпровіднику утворюються додаткові носії електричного заряду — пара «електрон—дірка», які збільшують провідність матеріалу, а отже, зменшують його опір.

У напівпровідникових фотодіодах (мал. 6.5),

які увімкнені в коло в запірному напрямі р-и-переходу, під дією оптичного випромінювання виникає однобічна провідність. Це пояснюють тим, що внаслідок опромінення в напівпровідниках зростає концентрація електронів і дірок. Під дією електричного поля неосновні носії заряду (електрони в напівпровіднику р-типу і дірки в напівпровіднику п-типу) легко долають запірний шар р-п-переходу і в колі виникає струм.

Фоторезистори і фотодіоди широко використовують у засобах автоматики, де потрібно враховувати зміну світлового потоку, наприклад, в охоронних системах, пропускних турнікетах метрополітену, пристроях відтворення звуку.

Під дією світла в напівпровідниках може виникати фотоЕРС, зумовлена просторовим розподілом носіїв заряду, що з'являються у напівпровіднику внаслідок нерівномірного поглинання випромінювання (мал. 6.6).

Концентрація носіїв заряду поблизу грані /, що освітлюється, набагато вища, ніж біля протилежної, затемненої грані 2. Електрони і дірки дифундують від грані / до грані 2, проте через неоднакову їх рухливість в об'ємі напівпровідника відбувається перерозподіл заряду, який створює електричне поле Е. Наявність електричного поля підтримує різницю потенціалів, внаслідок чого існує фотоЕРС.

Утворення фотоЕРС використовують у різних приладах, призначених для вимірювання потужності випромінювання, сонячних батареях, які застосовують у космічній техніці тощо.

Останнім часом в електронних пристроях і засобах сигналізації широко використовують фотоелементи. В основу їх дії покладено властивість фотокатода здійснювати емісію електронів під впливом випромінювання. Фотокатод складається з тонкої плівки фотоемісійного матеріалу, нанесеної на пластинку, що опромінюється. Фотокатод разом з анодом вміщують у скляну колбу, з якої викачано повітря (вакуумний фотоелемент), або наповнюють її газом (газонаповнений фотоелемент).

ФотоЕРС — виникнення ЕРС унаслідок опромінення напівпровідників

В електричному колі фотоелемента, який не опромінюється (мал. 6.7),

електричний струм відсутній, оскільки між катодом і анодом немає вільних носіїв заряду. Під час освітлення фотокатода утворюються фотоелектрони, які прямують до анода, тобто в колі виникає електричний струм.

Залежно від матеріалу фотокатода такий прилад може мати різні оптичні властивості.

Отже, він може бути чутливим лише до певного діапазону хвиль, наприклад ультрафіо-летового випромінювання, і не реагувати на видиме світло. Є фотоелементи, які охоплюють весь спектр видимого світла або чутливі в інфрачервоному діапазоні хвиль. Цю здатність фотоелементів використовують у різних оптичних приладах, зокрема у приладах нічного бачення.

ЗАПИТАННЯ
1. У чому полягає суть явища фотоефекту?
2. Послідовністю яких фізичних процесів є фотоефект?
3. Чому явище фотоефекту спостерігається лише за певного приєднання джерела струму?
4. Поясніть суть кожного із законів фотоефекту.
5. За яких умов може відбуватися фотоефект?
6. Чому червона межа фотоефекту залежить від хімічної природи металу? Що ще впливає на її значення?
7. Чому ефект Комптона вважають остаточним підтвердженням квантової гіпотези світла?
8. У чому полягає суть досліду Комптона?
9. Чому хвильова теорія неспроможна пояснити ефект Комптона?
10. Чому ефект Комптона не спостерігається в оптичному діапазоні випромінювання?
11. Які прилади побудовані з використанням явища фотоефекту?
12. Що таке фотопровідність? Від чого вона залежить?
13. Поясніть дію фоторезистора або фотодіода як засобів автоматики.
14. Де застосовують фотоелементи, фотодіоди і фоторезистори?

Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф. Савченко, Фізика, 11 клас
Вислано читачами з інтернет-сайтів  

_{Планування уроків з фізики, відповіді на тести, завдання та відповіді по класам, домашнє завдання та робота з фізики для 11 класу}

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.