запустити on-line скачати

За допомогою моделі можно розглянути фотоелектричний ефект та його закони, рівняння фотоефекту.

Актуалізація: погляд на світло як на електромагнітні хвилі, будова атома, взаємодія заряджених тіл.

Викладення нового матеріалу

Вперше прямий вплив світла на електрику був знайдений німецьким фізиком Г. Герцем під час його дослідів з електроїськровими вібраторами. Герц встановив, що заряджений провідник, будучи освітлений ультрафіолетовим промінням, швидко втрачає свій заряд, а електрична іскра виникає в іскровому проміжку при меншій різниці потенціалів. Помічене явище було описане Герцем в його статтях 1887-1888 років, але залишено ним без пояснення, оскільки фізичну природу його він не знав. Не зуміли правильно пояснити дію світла на заряди і німецький фізик Гальвакс, і італійський фізик Риги, і англійський фізик Лодж, який, демонструючи в 1894 році досліди Герца в своїй знаменитій лекції "Творіння Герца", лише припустив хімічну природу явища. І це недивно: електрон буде відкритий Джозефом Джоном Томсоном лише в 1897 році, а без згадки про електрон пояснити фотоефект неможливо. 

Проте 26 лютого 1888 року заслужено вважається одним з чудових днів в історії науки і техніки і, зокрема, телебачення. Цього дня великий російський учений Олександр Григорович Столетов (1839-1896) блискуче здійснив досвід, що наочно продемонстрував зовнішній фотоефект і показав істинну природу і характер впливу світла на електрику.

Перші досліди з світлом А.Г. Столетов проводив із звичним електроскопом. Освітлюючи електричною дугою Петрова цинкову пластину, заряджену негативно і сполучену з електроскопом, він знайшов, що заряд швидко зникав. Позитивний же заряд не знищувався.

Припустімо, що при опроміненні світлом з поверхні вилітають електрони. Тоді при освітлені негативної цинкової пластинки електрони вилітають і ще додатково відштовхуються електричним полем пластинки. Тому негативний заряд швидко зникає. Інша річ із позитивним зарядом. Якщо електрон і вилетів, то його с одного боку притягує електричне поле пластинки, з другого його виліт не зменшує, а збільшує позитивний заряд пластинки.

Цей ефект був названий А.Г. Столетовим активно-електричним розрядом. Електронна природа фотоефекту була показана в 1899 році Дж.Дж. Томсоном і в 1900 році Ленардом.

Фотоефе́кт — явище вибивання світлом електронів із металів.

Для постановки точних дослідів Столетов створив експериментальний прилад, що став прообразом сучасних фотоелементів. Прилад складався з двох плоськопаралельних дисків, один з яких був сітчастий і пропускав світлове проміння.

До дисків підводилася напруга від 0 до 250В, причому до суцільного диска підключався негативний полюс батареї. При освітленні суцільного диска ультрафіолетовим світлом включений в ланцюг чутливий гальванометр відзначав протікання струму, не дивлячись на наявність повітря між дисками. Продовжуючи досліди, А.Г.Столетов встановив залежність фотоструму від величини напруги батареї і інтенсивності світлового пучка. Подальші роботи привели до створення першого в світі фотоелемента, що був скляним балоном з кварцовим вікном для пропускання ультрафіолетового проміння. Всередину балона поміщалися електроди, один з яких був чутливий до світла, газ відкачувався. Сучасні фотоелементи відрізняються від першого лише конструкцією електродів і їх структурою.

Вмикаємо модель і пояснюємо призначення її окремих частин.

З'ясуємо залежність перебігу явища від інтенсивності світла.

Вмикаємо модель, змінюємо інтесивність світла, спостерігаємо збільшення кількості фотоелектронів, включаємо відображення графіку залежності сили струму від інтенсивності світла.

Отримуємо перший закон фотоефекту:

• кількість фотоелектронів прямо пропорційна інтенсивності світла

З'ясуємо залежність перебігу явища від кольору світла (довжини та частоти хвилі світла).

Збільшуємо частоту світла, спостерігаємо більшу швидкість фотоелектронів, вмикаємо відображення графіку залежності енергії фотоелектронів від частоти і спостерігаємо прямо пропорційну залежність енергії від частоти світла, зменшуємо інтенсивність світла - швидкість фотоелектронів незмінна.

На відміну від нас у Столєтова не було такої зручної компьютерної моделі. Як він визначав швидкість фотоелектронів?

Змінюємо напругу батареї і спостерігаємо прискорення або уповільнення руху електронів у електричному полі.

При певному значенні напруги явище зникає повністю, тобто внаслідок роботи електричного поля qU кінетична енергія електронів mv²/2 зменшується до 0.

Отримуємо другий закон фотоефекту:

• максимальна кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, кінетична енергія фотоелектронів прямо пропорційна частоті падаючого світла

Зменшуємо частоту світла, спостерігаємо зникнення явища при певному значенні довжини (частоти) хвилі світла.

Змінюємо матеріали і спостерігаємо різне порогове значення довжини (частоти) хвилі світла.

Отримуємо третій закон фотоефекту:

• для кожної речовини існують порогові значення частоти та довжини хвилі світла, які відповідають межі існування фотоефекту; світло з меншою частотою та більшою довжиною хвилі фотоефекту не викликає

Оскільки це порогове значення завжди ближче до червого світла, то йому дали назву червона межа фотоефекту.

Зрозуміло, що червона межа фотоефекту існує завдяки притягуванню електронів до ядер. Разом з тим, останній закон не можна пояснити на основі уявлення про світло як неперервні плавні коливання у вакуумі-ефірі: такі хвилі мали довго розгойдувати електрони до того моменту, коли швидкість останніх стала б достатньою для відриву від металу.

Повне пояснення фотоефекту належить А.Ейншейну, який використав ідею німецького фізика М.Планка про те, що світло випромінюється і поширюється окремими порціями - квантами (або інша назва фотони). Для обчислення енергії кванта світла М.Планк запропонував просту формулу ε= hν.

А.Ейнштейн висловив припущення, що фотоефект відбувається внаслідок поглинання фотоном одного кванта, а інші кванти не можуть брати участь у цьому процесі. Тоді енергія одного кванта світла (фотона) витрачається на подолання бар'єру (виконання роботи виходу, відриву від матеріалу) і надання кінетичної енернії фотоелектрону.

 Це дозволило йому записати закон збереження енергії для процесу - рівняння Ейнштейна для фотоефекту

,

де ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу.

Вмикаємо модель, за червоною межою фотоефекту знаходимо роботу виходу, збільшуємо частоту світла і знаходимо за показами вольтметра кінетичну енергію фотоелектронів. Демонструємо справедливість рівняння.

Література

• http://tvcom.kherson.ua/cikavo.files/istoriya_tv/fotoeffekt.php
• Корсак К.В. Фізика: Для вступників до вищих навчальних закладів. - 3-є вид. - К.: Либідь, 1995. - 240 с.