Презентация, доклад на тему Световые кванты и фотоэффект

СПО Тольяттинский машиностроительный колледж
г. Тольятти

Световые кванты и фотоэффект

г. Г. Герц обнаружил, что при облучении ультрафиолетовыми лучами электродов, находящихся под высоким напряжением, разряд возникает при большем расстоянии между электродами, чем без облучения.
Фотоэффект можно наблюдать в следующих случаях:

1. Цинковую пластину, соединенную с электроскопом, заряжают отрицательно и облучают ультрафиолетовым светом. Она быстро разряжается. Если же ее зарядить положительно, то заряд пластины не изменится.

+

+

+

+

-

-

-

заряженную цинковую пластину и выбивают из нее электроны, которые устремляются к сетке, создавая фототок. регистрируемый чувствительным гальванометром.

е

е

е

е

е

Ультрафиолетовое излучение

+

/

Сетка

Если U =U3 то I = 0
2-й закон
Закон сохранения энергии (ЗСЭ) Ek = A mu2max = eU3
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не
зависит от интенсивности излучения и определяется только его частотой.
Минимальная частота волны для каждого вещества, при
которой наблюдается фотоэффект, называется
«красной границей фотоэффекта».

3-й закон
Красная граница фотоэффекта определяется только
материалом электрода и не зависит от интенсивности излучения.

4-й закон Фотоэффект практически безинерционен.

стеклянный баллон с двумя электродами.

Второй закон
Изменяя условия освещения на этой же установке, А. Г. Столетов открыл второй закон фотоэффекта: кинетическая энергия
фотоэлектронов не зависит от
интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.

Первый закон
Исследуя зависимость силы тока
в баллоне от напряжения между электродами при постоянном световом потоке на один из них,
он установил первый закон фотоэффекта -
число электронов, выбиваемых за
1 с из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего
на это вещество.

V

_

+

Катод

Анод

электродинамики Максвелла оказались безрезультатными.

Третий закон
Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота vmin , при которой еще возможен фотоэффект. При v

В1905 году Эйнштейн развив и углубив идеи Планка, объясняет явление фотоэффекта.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта имеет вид:
Энергия кванта света идет на совершение работы выхода.
(т. е. работы, которую нужно совершить для
извлечения электрона из металла) и на сообщение
электрону кинетической энергии.

Квантовая теория дала объяснение законам фотоэффекта.
В 1900 г. М. Планк высказал гипотезу о том, что свет представляет собой поток частиц - квантов (фотонов), энергия которых связана с частотой световой волны известным соотношением E = hv.
Эта гипотеза позволила объяснить все основные свойства фотоэффекта.

или E= ћω, так как ћ = h/2π, ω=2πν. Если h=6,63· 10-34 Дж·с, то ћ ≈ 1,55· 10-34 Дж· с. Согласно теории относительности E=mc2 =hv, отсюда m=hv/c2 — масса фотона, эквивалентная энергии. Импульс p = mс = hv/c = E/c = h/λ так как c=vλ. Импульс фотона направлен по световому пучку. Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

Свойства фотона: 1. Является частицей электромагнитного поля. 2. Движется со скоростью света. 3. Существует только в движении. 4. Остановить фотон нельзя: он либо движется
со скоростью равной скорости света, либо не существует;
5. Следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

2ф

ф

U3

Ln

2Ln

U

L

Величина импульса фотона P =
условие существования фотоэффекта:
λкр = hc vмин = Авых
Авых h

частица - взаимодействие с веществом,

Дуализм свойств:

волна — распространение света.

Энергия кванта света расходуется на совершение работы выхода (т.е. работы, которую нужно совершить для извлечения электрона из металла) и на сообщение электрону кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна

hv= A вых +meƯ2макс
2

hv = h C λ

мА

V

_ _ _ _

А

к

Абсолютный вакуум

А — анод;
К — катод
светочувствительный;
О — окошко
для доступа света.

О

волны не взаимодействуют. Преломление, интерференция, дифракция. Таким образом, многие физики в начале XX в. пришли к выводу, что свет обладает двумя свойствами: 1. При распространении он проявляет волновые свойства. 2. При взаимодействии с веществом проявляет корпускулярные свойства. Его свойства не сводятся ни к волнам, ни к частицам. Подтверждается закон диалектики — закон природы: количество переходит в качество. Чем больше v, тем ярче выражены квантовые свойства снега и менее — волновые. Итак, всякому излучению присущи одновременно волновые и квантовые свойства. Поэтому то, как проявляет себя фотон — как волна или как частица,—зависит от характера проводимого над ним исследования

Корпускулярно-волновой дуализм
Две теории:

света возникает ЭДС, при этом световая энергия непосредственно преобразуется и электрическую.
Фоторезистор —устройство, сопротивление которого зависит от освещенности.
Используется при автоматическом управлении электрическими цепями с помощью световых
сигналов и в цепях переменного тока.

Полупроводник

Н
а
г
р
у
з
к
а

Электроды

Достоинства: безинерционность, пропорциональность силы фототока интенсивности излучения.
Недостатки: зависимость сопротивления от температуры, и окружающей среды, инерционность. слабый ток, слабая чувствительность к длинноволновому излучению, хрупкость, сложность изготовления.
Применение: фоторезисторы - автоматическое управление электрическими цепями с помощью световых сигналов (фото­реле); фотоэлементы - солнечные батареи, люксметры фотоэкспонометры.

Управление прессами на производстве,
2. Фототелеграф, фототелефон.
3. Фотометрия: для измерения
силы света, яркости, освещенности.
4. Кино: воспроизведение звука.
5. Световая сигнализация,
6. Типографское дело.
Ф — фотоэлемент;
У — усилитель;
Р — электромагнитное реле;
К — катушка;
Я — якорь.
А — анод;
К — катод
светочувствительный;
О — окошко для доступа света.

К

А

А

К

О

Ф

У

К

Я

Р

Внешний фотоэффект: Испускание электронов с поверхности металлов под действием света.
Достоинства фотоэлемента: безинерциальность, фототок 1
пропорционален световому потоку Ф.

полупроводников.
Используется в солнечных батареях, которые имеют КПД 12—16% и применяются в искусственных спутниках Земли, при получении энергии
в пустыне.
Принцип действия солнеч­ной батареи: при поглощении кванта энергии hv полупроводником освобождается дополнительная пара носителей (электрон и дырка), которые движутся в разных направлениях: дырка — в сторону полупроводников р-типа, а электрон — в сторону полупроводников n-типа.
В результате образуется в полупроводнике n-типа избыток свободных электронов, а полупроводнике р-типа — избыток дырок. Возникает разность потенциалов.

Изменение концентрации носителей тока в веществе и как следствие изменение электропроводности данного вещества под действием света.

Внутренний фотоэффект

Вентильный фотоэффект

+

-

Rn

Si P

n

-

+

Фотореле - фотоэлемент (1),
усилитель (2),
электромагнитное реле (3).

природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствие.
Квантовая теория света объясняет световое давление
как результат передачи фотонами своего импульса
атомам или молекулам вещества.
Это давление оказалось ≈ 4·10-6 Па. Предсказание
Дж. Максвеллом существования светового давления было экспериментально подтверждено П. Н. Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали.
Опыты П. Н. Лебедева —
экспериментальное доказательство
факта: фотоны обладают импульсом.

С В Е Т

F

B

U

E