Сценарий урока на тему «Зарождение квантовой физики. Фотоэффект»

Урок-лекия

Зарождение квантовой физики. Фотоэффект.

План.

I.Зарождение квантовой физики.

1) Излучение нагретого тела.

2) Распределение энергии в спектре.

3) Гипотеза Планка.

II. Фотоэффект

1)Наблюдение фотоэффекта.

2) Законы фотоэффекта.

3) Теория фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для

фотоэффекта.

III. Примеры решения задач на явление фотоэффекта.

IV. Применение фотоэффекта.

Мы с вами рассматривали электромагнитную природу света и доказали, что свет – это электромагнитные волны. Впервые это было доказано Максвеллом в 1865 году. Однако, до начала ХХ века механизм генерации и излучения световых волн не был известен. Это объяснимо: дело в том, что до начала ХХ века изучался макромир и все явления, протекающие в нем. А микромир: мир фотонов, квантов элементарных частиц не исследовался. Давайте выясним, почему возникла необходимость в зарождении квантовой физики.

Для этого обратимся к опыту. Подключаем металлическую спираль к источнику регулируемого напряжения. Для измерения температуры спирали вставим в нее термометр. При низком напряжении спираль нагревается, но не светится, следовательно, подводимая к ней энергия не преобразуется в свет.

Если недалеко от спирали поставить термопару, соединенную с чувствительным гальванометром, то прибор отметит наличие теплового излучения, не воспринимаемого глазом. Увеличим подводимое напряжение. Мы заметим, что по мере повышения ее температуры тепловое излучение становится заметным. При температуре около 500 градусов С спираль начнет излучать красный (вишневый) свет. При дальнейшем повышении температуры спирали интенсивность излучения еще более возрастет, а цвет излучаемого света станет сначала оранжевым, затем желтым и, наконец, белым.

Если в описанном опыте проводить наблюдения за испускаемым спиралью светом с помощью спектроскопа, то сначала можно увидеть лишь красный край спектра, а потом оранжевый, желтый, зеленый. Рассмотрим график зависимости распределения энергии в спектре излучения при различных температурах. Анализируя его, мы видим, что при температуре 6000 К присутствуют все цвета спектра и максимум кривой распределения энергии по длинам волн с повышением температуры смещается в область более коротких волн.

Найденные экспериментально распределение энергии излучения в спектре и зависимость характера распределения от температуры нуждались в теоретическом объяснении. Было ясно, что поскольку все тела состоят из атомов, то видимый свет, а также инфракрасное ультрафиолетовое излучение испускаются атомами. Но как?

В классической электродинамике Максвелла в полном соответствии с опытом считается, что колеблющийся заряд излучает электромагнитные волны и теряет энергию непрерывно, т.е. любое нагретое тело, непрерывно теряя энергию, должно охладиться до абсолютного нуля температуры. На самом деле этого не происходит.

Выход из создавшегося противоречия нашел немецкий физик Макс Планк. Он высказал на первый взгляд парадоксальное утверждение:

Атомы излучают и теряют энергию отдельными порциями – квантами.

E=h∙v h=6,63∙ (Дж∙с)

Теория Планка требовала доказательств, экспериментального подтверждения. Важный шаг в развитии представлений о природе света был сделан при изучении одного замечательного явления, открытого Г.Герцем и тщательно исследованного русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Возьмем электрометр с цинковой пластинкой и зарядим его, затем будем его освещать электрической дугой. Когда пластинка заряжена положительно, то после освещения она заряд не теряет. Если пластинку зарядить отрицательным зарядом и снова осветить, то пластинка теряет электрический заряд. Объяснить это можно единственным образом. Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При положительном же заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не меняется. Если на пути света поставить стекло, то отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения. Нам известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, следовательно, именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект.

Для рассмотрения законов фотоэффекта А.Г.Столетов проводил такой эксперимент. Рассмотрим компьютерную модель данного опыта. (Диск «Открытая физика» 1-1).

В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, помещаются два электрода. Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через кварцевое окошко, прозрачное для видимого и ультрафиолетового излучения. Напряжение, которое подается на электроды можно менять с помощью потенциометра. При малых напряжениях не все, вырванные светом электроны, достигают данного электрода. Если, не меняя интенсивности излучения, увеличить разность потенциалов между электродами, то сила тока возрастает. При некотором напряжении она достигает максимального значения, после чего перестает увеличиваться. Максимальное значение силы тока I называется током насыщения. Ток насыщения определяется числом электронов, испущенных за одну секунду освещаемым электродом.

Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за одну секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

Если отключить напряжение, то фотопоток не полностью исчезнет. Это можно объяснить тем, что электроны покидают катод со скоростью, отличной от нуля, и часть из них достигает анода и в отсутствии напряжения между электродами. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, нужно приложить некоторое задерживающее напряжение U, оно должно быть таким, чтобы электроны, обладающие при вылете из катода даже наибольшей скоростью V, не могли преодолеть задерживающее электрическое поле и достигнуть анода.

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света и определяется только частотой.

2. Для каждого вещества существует

— красная граница фотоэффекта.

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 году А.Эйнштейном, развившим идею Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.

E=h∙

Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон сохранения энергии. Энергия порции света hv идет на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии, т.е.

h∙=A+

1. Из уравнения Эйнштейна видно, что фотоэффект возможен лишь при энергии фотона большей работы выхода. Энергии фотона должно, по меньшей мере, хватить на то, чтобы оторвать электрон от металла

h∙

2Фотоэффект возможен лишь при частоте света больше некоторого минимального значения. Предельную частоту называют красной границей фотоэффекта.

Работа выхода для каждого металла своя. Для цинка красной границе соответствует длина волны

Рассмотрим примеры решения задач на явление фотоэффекта (Диск «Курс физики ХХI век Л.Я.Боревский»)