Цель: рассмотреть явление фотоэффекта и выяснить основные его законы. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.
Ход урока
I. Организационный момент
II. Повторение
- Как изменится частота измерения, если энергию кванта увеличить в 2 раза?
- Какие из физических явлений не смогла объяснить классическая физика?
- Как испускают энергию атомы согласно гипотезе Планка?
- Как излучает энергию нагретое тело согласно теории Максвелла?
- Все ли тела излучают энергию?
- Запишите формулу энергии М. Планка?
- Чему равна постоянная Планка?
III. Изучение нового материала
Эксперимент 1
Цинковая пластинка соединена с электродом и освещается электрической дугой без стеклянной оптики. Цинковую пластину заряжают один раз отрицательным зарядом, а другой раз потенциально. В первом случае электрометр разряжается, во втором - нет.
Опыт с отрицательно заряженной цинковой пластинкой повторяют. Но пучок света перекрывают непрозрачным экраном, а затем убирают, эффект обнаруживается при освещении практически сразу (через 10~9с).
Эксперимент с отрицательно заряженными пластинками других металлов. По времени разряда электрометра до нуля делают вывод о скорости разряда пластин.
Эксперимент 2
Повторяют опыт с отрицательно амальгамированной пластинкой, установленной один раз на расстоянии 1 м от источника света, а другой - на расстоянии вдвое меньше. Скорость разряда электрометра увеличивается.
Эксперимент с отрицательно заряженными пластинками цинка и меди. Экраном из органического стекла перекрывают источник ультрафиолетового излучения. На цинке фотоэффект есть, на меди - нет.
Выводы: фотоэффект состоит из вырывания электронов из поверхности металла при его освещении. Электрическое поле отрицательно заряженной пластинки металла способствует уносу эмитированных электронов с поверхности металла, а электрическое поле положительно заряженной пластинки возвращает электроны в металл. Данное явление практически безынерционно. Интенсивность фотоэффекта зависит от рода металла, величины светового потока и спектрального состава излучения.
Влияние знака электрического заряда пластинки на фотоэлектрон
Волновая теория
Освобождение электронов с поверхности металла не является механическим эффектом. При падении электромагнитной волны на поверхность металла переменное электрическое поле вызывает колебания свободных электронов в металлах: их кинетическая энергия возрастает. При большой интенсивности электромагнитного излучения, а значит, напряженности Е электрического поля, кинетическая энергия электрона может достичь величины, достаточной для того, чтобы преодолеть силы притяжения к металлу и покинуть его. Однако опыты показывают, что фотоэффект наступает даже при малых интенсивностях света. Это не может быть объяснено на основе волновой теории.
Квантовая картина
При поглощении фотона энергия фотона E = hv передается
свободному электрону. Она расходуется на освобождение электрона из металла - на работу выхода и на сообщении ему кинетической энергии.
При этом энергия фотона передается электрону в металле только целиком, а сам фотон перестает существовать.
Сегодня внешним фотоэффектом мы называем явление, когда под действием электромагнитного излучения вещество испускает электроны. Начало этому открытию было положено еще в 1887 г., когда Генрих Герц, занимаясь опытами с электромагнитными волнами, заметил, что если осветить цинковую пластину ультрафиолетовым светом, то она зарядится.
Количественная закономерность фотоэффекта была установлена А. Г. Столетовым.
Первый закон
Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на металл:
где v- коэффициент пропорциональности, называемый фоточувствительностью вещества.
Следовательно, число электронов, выбиваемых за 1 с из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.
Второй закон
Изменяя условия освещенности А. Г. Столетов установил, что кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.
Если к освещенному электроду подключить положительный полюс батареи, то при некотором напряжении фототок прекращается. Это явление не зависит от величины светового потока. Используя закон сохранения энергии:1/2mv2=eU3,
где е - заряд; т - масса электрона; и - скорость электрона; U3 -запирающее напряжение, - устанавливают, что если частоту лучей, которыми облучают электрод, увеличить, то U3 U3 , поэтому
Следовательно, v2vx.
Таким образом, кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света.
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 vmm - ни при какой интенсивности волны падающего света на фотокатод фотоэффект не произойдет.
Четвертый закон
Фотоэффект практически безынерционен.
А. Эйнштейн, развив идею Планка (1905 г.), показал, что законы фотоэффекта могу] быть объяснены при помощи квантовой теории.
Явление фотоэффекта экспериментально доказывает, что свет имеет прерывистую структуру.
Излученная порция E-hv сохраняет свою индивидуальность и
поглощается веществом только целиком. На основании закона сохранения энергии:
Шестнадцать лет спустя классическую простоту уравнения Эйнштейна Шведская академия наук отметила Нобелевской премией. Но в 1905 г. когда уравнение было написано впервые, на него ополчились все, даже Планк.
А. Эйнштейн поступил так, как будто до него вообще не существовало физики, или, по крайней мере, как человек, ничего не знающий об истинной природе света. Здесь сказалась замечательная особенность Эйнштейна: в совершенстве владея логикой, он больше доверял интуиции и фактам, причем случайных фактов в физике для него не существовало. Поэтому в явлении фотоэффекта он видел не досадное исключение из правил волновой оптики, а сигнал природы о существовании еще неизвестных, но глубоких законов. Так уж случилось, что исторически сначала были изучены волновые свойства света. Только в явлении фотоэффекта физики впервые столкнулись с его корпускулярными свойствами. У большинства из них инерция мышления была настолько велика, что они отказывались верить.
IV, Закрепление изученного материала
- В чем состоит явление фотоэффекта?
- Когда и кем было открыто явление фотоэффекта?
- Нарисуйте схему установки опыта Герца и объясните, в чем суть опыта.
- Объясните опыты А. Г. Столетова.
IV, Подведение итогов урока
Домашнее задание
§ 49. 50. Упражнение 38. Задачи с задачника по Рымкевич А.П
