что называется красной границей фотоэффекта

Физика. 11 класс

Конспект урока

Урок 22. Фотоэффект

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. которую нужно сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 153 – 158.

4. Тульчинский М. Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ. и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 157.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.

Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.

Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:

После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.

Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.

В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.

Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

где А_в – работа выхода электронов;

h – постоянная Планка;

λкр – длина волны, соответствующая красной границе_.

Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

где — максимальная кинетическая энергия электронов;

Е – заряд электрона;

– задерживающее напряжение.

Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:

В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Примеры и разбор решения заданий

1. Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается.

2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ₀ = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.

Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны:

Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода:

Запишем выражение для запирающего напряжения – условие равенства максимальной кинетической энергии электрона и изменения его потенциальной энергии при перемещении в электростатическом поле:

Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:

Подставляя численные значения, получаем: λ ≈ 215 нм.

Источник

Физика. 11 класс

Конспект урока

Урок 22. Фотоэффект

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. которую нужно сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 153 – 158.

4. Тульчинский М. Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ. и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 157.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.

Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.

Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:

После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.

Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.

В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.

Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

где А_в – работа выхода электронов;

h – постоянная Планка;

λкр – длина волны, соответствующая красной границе_.

Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, «затрудняющее» вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

где — максимальная кинетическая энергия электронов;

Е – заряд электрона;

– задерживающее напряжение.

Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:

В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Примеры и разбор решения заданий

1. Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается.

2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ₀ = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.

Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны:

Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода:

Запишем выражение для запирающего напряжения – условие равенства максимальной кинетической энергии электрона и изменения его потенциальной энергии при перемещении в электростатическом поле:

Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:

Подставляя численные значения, получаем: λ ≈ 215 нм.

Источник

Что такое красная граница фотоэффекта: понятие о фотоэффекте, уравнение Эйнштейна, пример решения задачи

В конце XIX века Генрих Герц открыл явление, позволяющее из световой энергии добывать электричество. Оно получило название фотоэффекта. В данной статье рассмотрим подробнее этот эффект, а также ответим на вопрос, что такое красная граница фотоэффекта.

Понятие о фотоэффекте

Перед тем, как ответить на вопрос, что такое красная граница фотоэффекта, необходимо поближе познакомиться с этим физическим явлением. Как можно объяснить это явление? Определение фотоэффекту можно дать следующее: это процесс образования свободных от атомных ядер электронов в результате облучения вещества светом.

Вам будет интересно: Сумма бесконечной геометрической прогрессии убывающей и парадокс Зенона

Этот эффект был открыт в 1887 году Герцем. В 1888 году русский физик, Александр Столетов, провел ряд опытов, в которых показал, что этот процесс возникает мгновенно после попадания света на пластину конденсатора. Также ученый установил первый закон фотоэффекта: увеличение интенсивности света приводит к линейному росту тока в цепи.

В 1905 году Эйнштейн опубликовал статью, в которой объяснил фотоэффект квантовым характером взаимодействия света с веществом.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Современное понимание фотоэффекта можно описать в виде следующей модели: падая на вещество, фотон встречается с электроном некоторого атома, электрон полностью поглощает фотон, принимая от него всю энергию. Если эта энергия больше некоторого значения, то электрон выходит за область притяжения атомного ядра и становится свободным.

Описанный процесс выражается следующим равенством энергий:

Что такое красная граница фотоэффекта?

Обратим внимание на уравнение Эйнштейна, приведенное в предыдущем пункте. Из него следует, что если энергия фотона будет меньше работы выхода электрона, то никакого фотоэффекта происходить не будет. Это означает, что явление наблюдается только в том случае, если:

Частота v0, соответствующая величине A, получила название красной границы фотоэффекта. Длина волны, соответствующая ей, вычисляется по формуле:

λ0 = c/v0 или λ0 = c*h/A.

Если говорить о λ0 для металлов, то облучение красным цветом не может привести к появлению фотоэффекта ни для одного из них, поскольку энергия «красных» фотонов слишком низка, чтобы «вырвать» электрон из атома. Наибольшим значением λ0 обладают щелочные металлы. Для них красная граница находится в области зеленого и желтого цвета (λ0≈520-580 нм).

Решение задачи на определение типа элемента

Разобравшись, что такое красная граница фотоэффекта, решим одну интересную задачу для закрепления полученных знаний. Это поможет лучше разобраться в этом физическом явлении.

В некоторой лаборатории решили воспользоваться фотоэффектом для определения вида химического элемента. До начала эксперимента было установлено, что это щелочной металл первой группы таблицы Д. И. Менделеева. Изменяя значение длины волны света, которым облучали металл, определили, что фотоэффект начинает наблюдаться при 525 нм. С каким элементом работали в лаборатории?

Выпишем соответствующую формулу для красной границы фотоэффекта:

Подставляя соответствующие константы и значение λ0 в выражение, получаем значение работы выхода электрона для неизвестного щелочного металла:

A = c*h/λ0 = 3*108*4,13567*10-15/(525*10-9) = 2,363 эВ

Отметим, что значение постоянной Планка было подставлено в единицах эВ*с.

Работа выхода электрона A является уникальной характеристикой для каждого химического элемента. Ее можно посмотреть в соответствующей таблице. Так, для щелочных металлов характерны такие значения в эВ:

Эти данные показывают, что найденное нами значение A соответствует натрию.

Источник

Что такое фотоэффект? Граница фотоэффекта

Кто и когда открыл фотоэффект?

Открытие фотоэффекта в науке имеет длинную историю и связан непосредственно со спорами ученых о природе света. В 1887 году, проводя эксперименты по доказательству существования электромагнитных волн, Генрих Герц открыл явление фотоэффекта. Что такое фотоэффект, Герц объяснить не смог, но полученные «странные» результаты опубликовал. Суть этих результатов заключалась в том, что индуцированная в воздушном зазоре приемника искра имела большую яркость, когда приемник находился на свету, чем когда ученый ставил его в темное помещение.

Годом позже, то есть в 1888 году, русский ученый Александр Столетов провел ряд экспериментов, из которых сделал ряд важных выводов относительно особенностей фотоэффекта. В настоящее время первый закон фотоэффекта носит его фамилию.

Кто разработал теорию наблюдаемого эффекта?

Вам будет интересно: Опыты Столетова и их значение для современного понимания явления фотоэффекта

Сделал это Альберт Эйнштейн в 1905 году, за что в 1921 году получил Нобелевскую премию по физике.

Современное понимание происходящих во время этого эффекта процессов полностью основано на идеях Эйнштейна. Его главной заслугой было признание того, что свет является не только волной, но и проявляет корпускулярные свойства во взаимодействии с материей (это положение известно как корпускулярно-волновой дуализм). В частности, электромагнитная волна распределена в пространстве не равномерно, а состоит из сгустков энергии (квантов), которые впоследствии получили название фотонов. Когда такой фотон падает на материал, то он взаимодействует только с одним электроном какого-либо атома, передавая ему всю свою энергию.

Справедливости ради отметим, что корпускулярная теория была разработана задолго до Эйнштейна в далеком XVII веке, и сделал это Исаак Ньютон. Эйнштейн же не просто возродил идею Ньютона, но включил в нее представления Макса Планка о квантах света с энергией h*v.

Что такое фотоэффект?

Теперь перейдем к непосредственному объяснению процессов на атомном уровне, связанных с рассматриваемым явлением.

Под фотоэффектом понимают вырывание электронов из материала и перевод их в свободное состояние за счет падающего на этот материал света. Происходит это следующим образом: когда фотон попадает на атом вещества, то он взаимодействует с электроном, передавая ему всю свою энергию. За счет этой энергии электрон переходит на более высокие энергетические уровни атома (возбуждение атома). Если величина переданной энергии будет достаточно большой, то электрон сможет оторваться от атома и вылететь в межатомное пространство.

Основные законы фотоэффекта

Благодаря проведенным опытам конца XIX века и разработанной Эйнштейном теории фотоэффекта в начале XX века, можно сформулировать следующие законы для этого явления:

Уравнение Эйнштейна

Разобравшись, что такое фотоэффект, приведем теперь уравнение, которое его описывает:

Из уравнения Эйнштейна следует одна важная вещь: минимальная фотона энергия, фотоэффект при которой еще возможен, будет равна работе выхода электрона:

Частота v0 получила название красной границы для этого физического явления. Поскольку частота фотона связана через скорость света с его длиной волны, фотоэффекта уравнение можно переписать следующим образом:

Для многих металлов работа выхода электрона A лежит в пределах от 2-х до 6-и эВ, этим значениям соответствуют длины волн от 580 до 210 нм (часть видимого и ультрафиолетового спектра).

Понятие о токе насыщения

Рассматривая вопрос, что такое фотоэффект, следует рассказать о токе насыщения. Проделаем следующий эксперимент: возьмем воздушный конденсатор, образованный двумя металлическими пластинами, подсоединим его к электрической цепи и направим на являющуюся катодом пластину монохроматический пучок света определенной интенсивности. Гальванометр покажет, что в цепи появился ток. Теперь будем постепенно увеличивать напряжение между пластинами конденсатора, тогда ток тоже будет увеличиваться до некоторого значения, а затем станет постоянным, независимо от напряжения. Это показано на рисунке ниже.

Объяснить описанный факт можно так: когда свет попадает на катод, то при его постоянной интенсивности и частоте фотоэффект приводит к появлению свободных электронов. Последние, вылетая из металла, двигаются в произвольных направлениях и лишь некоторая их часть попадет на вторую пластину конденсатора. Когда прикладывают потенциал к пластинам, то все больше и больше электронов начинают достигать противоположной пластины. Это увеличение происходит до тех пор, пока все «вырванные» электроны не будут увлечены электрическим полем, то есть наступает насыщение (Iconst.).

Дальнейший рост тока возможен только за счет увеличения интенсивности света (растет число «вырванных» электронов) или за счет увеличения частоты света (растет Ek электронов).

Понятие о тормозящем потенциале

Приведенное выше объяснение происходящих процессов между пластинами конденсатора позволяет сделать вывод, что ток будет существовать, даже если поменять знак потенциалов (облучаемая светом пластина становится анодом). Как только потенциал достигнет такого значения, что «вырванные» электроны с наибольшей энергией будут возвращаться обратно на анод, не достигая катода, тогда ток в цепи прекратится. Этот потенциал называется тормозящим. Он отмечен на предыдущем рисунке символом U0.

Тормозящий потенциал U0 не зависит от интенсивности света и увеличивается при возрастании частоты фотонов.

Источник