Монохроматический свет с длиной волны падает на поверхность металла вызывая фотоэффект фотоэлектроны
Обновлено: 17.05.2024
Квантовая физика - раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.
Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.
Квант - (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике.
Ток насыщения - некоторое предельное значение силы фототока.
Задерживающее напряжение - минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.
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.
3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 422 – 429.
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:
h = 6,63 ∙ 10 -34 Дж∙с.
После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.
Квантовая физика - раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.
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
Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения - максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, - прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.
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 Ав – работа выхода электронов;
h – постоянная Планка;
νmin - частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта;
с – скорость света;
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.
Задерживающее напряжение - минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.
Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:
гдеЕ – заряд электрона;
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».
Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны - фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.
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.
Работа выхода
Запирающее напряжение
Работа выхода - это характеристика металла, следовательно, работа выхода не изменится при изменении длины волны падающего света.
Запирающее напряжение - это такое минимальное напряжение, при котором фотоэлектроны перестают вылетать из металла. Оно определяется из уравнения:
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:
Монохроматический свет с длиной волны падает на поверхность металла вызывая фотоэффект фотоэлектроны
Тип 19 № 6774Монохроматический 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?
| Работа выхода | Запирающее напряжение |
Работа выхода — это характеристика металла, следовательно, работа выхода не изменится при изменении длины волны падающего света. Запирающее напряжение — это такое минимальное напряжение при котором фотоэлектроны перестают вылетать из металла, оно определяется из уравнения значит, при уменьшении длины волны падающего света запирающее напряжение увеличивается.
Тип 26 № 7640Поток фотонов падает на металлическую пластину с работой выхода 2,6 эВ и выбивает из пластины фотоэлектроны, которые попадают в замедляющее однородное электрическое поле с модулем напряжённости 1 В/м. Какое время проходит от момента начала замедления фотоэлектронов до их полной остановки, если энергия падающего фотона 11,5 эВ? Считайте, что все фотоэлектроны при вылете из пластины имеют одинаковую скорость. Ответ дайте в мкс, округлив до целого.
Энергия фотоэлектрона Отсюда находим начальную скорость фотоэлектрона:
После вылета движение равнозамедленное, т. е.
Находим время до полной остановки из условия :
Тип 26 № 7682Поток фотонов падает на металлическую пластину с работой выхода 4,3 эВ и выбивает из пластины фотоэлектроны, которые попадают в замедляющее однородное электрическое поле с модулем напряжённости 0,1 В/м. Какое время (в мкс) проходит от момента начала замедления фотоэлектронов до их полной остановки, если энергия падающего фотона 13,2 эВ? Считайте, что все фотоэлектроны при вылете из пластины имеют одинаковую скорость.
Ответ округлите до десятков.
Аналоги к заданию № 7640: 7682 Все
Тип 19 № 8871В первом опыте фотокатод освещают светом с длиной волны λ1, при этом наблюдается фотоэффект. Во втором опыте фотокатод освещают светом с длиной волны λ2
Уменьшение длины волны приведет к увеличению энергии падающего излучения, а значит, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов увеличится.
Работа выхода — это характеристика исключительно материала фотокатода и она не зависит от длины волны падающих фотонов.
Тип 19 № 8913В первом опыте фотокатод освещают светом с длиной волны λ1, при этом наблюдается фотоэффект. Во втором опыте фотокатод освещают светом с длиной волны λ2 > λ1. Как во втором опыте по сравнению с первым изменяются максимальная кинетическая энергия вылетающих из фотокатода электронов и работа выхода материала фотокатода?
3) не изменяется.
Увеличение длины волны приведет к уменьшению энергии падающего излучения, а значит, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшится.
Аналоги к заданию № 8871: 8913 Все
Задания Д21 № 10651На рисунке изображена зависимость максимальной кинетической энергии Eэ электрона, вылетающего с поверхности металлической пластинки, от энергии Eф падающего на пластинку фотона.
Пусть на поверхность этой пластинки падает свет, энергия фотона которого равна 5 эВ.
Установите соответствие между физическими величинами, указанными в таблице, и их значениями. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
А) кинетическая энергия электрона, вылетающего с поверхности пластинки
Б) работа выхода электронов с поверхности металла пластинки
Работа выхода является характеристикой металла и не зависит от частоты падающего излучения. Из графика видно, что работа выхода равна 2 эВ. Тогда кинетическая энергия фотоэлектронов равна 5 − 2 = 3 эВ.
Задания Д21 № 10719Пусть на поверхность этой пластинки падает свет, энергия фотона которого равна 3 эВ.
А) работа выхода электронов с поверхности металла пластинки
Б) кинетическая энергия электрона, вылетающего с поверхности пластинки
Работа выхода является характеристикой металла и не зависит от частоты падающего излучения. Из графика видно, что работа выхода равна 5 эВ. Тогда энергии фотона будет недостаточно, чтобы выбить электрон и кинетическая энергия фотоэлектронов равна 0 эВ.
Аналоги к заданию № 10651: 10719 Все
Тип 19 № 26062При освещении металлической пластины светом частотой наблюдается явление фотоэлектрического эффекта. Как изменятся работа выхода и максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов при увеличении частоты падающего на пластину света в 2 раза?
3) не изменилась.
| Работа выхода | Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона |
Энергия фотона в световом пучке пропорциональна частоте света: А значит, увеличение частоты в 2 раза приведет к увеличению энергии фотона также в 2 раза (1). Работа выхода зависит только от свойств материала пластины, поэтому работа выхода никак не изменится (3).
Задания Д11 B20 № 2205В опытах по фотоэффекту взяли пластину из металла с работой выхода 3,5 эВ и стали освещать ее светом с частотой Затем частоту падающей на пластину световой волны увеличили в 2 раза, оставив неизменной интенсивность светового пучка. В результате этого максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов
1) не изменилась, т. к. фотоэлектронов не будет
2) увеличилась более чем в 2 раза
3) увеличилась в 2 раза
4) увеличилась менее чем в 2 раза
Поскольку частота света, использовавшегося в первом опыте превосходит эту величину, заключаем, что фотоэффект в первом эксперименте действительно наблюдался. При этом максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов была отлична от нуля. При увеличении частоты света в 2 раза, энергия фотонов также возрастает в 2 раза. Следовательно, имеем Таким образом, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов увеличилась более чем в 2 раза.
объясните, пожалуйста, зачем работу А в числителе умножать на 1,6 10^-19..
В условии работа выхода дана в эВ, нужно эВ перевести в систему СИ, коэффициент перевода можно найти в разделе СПРАВОЧНИК
Задания Д11 B20 № 2238При освещении металлической пластины с работой выхода А монохроматическим светом частотой происходит фотоэлектрический эффект, максимальная кинетическая энергия освобождаемых электронов равна Каким будет значение максимальной кинетической энергии фотоэлектронов при освещении этим же монохроматическим светом пластины с работой выхода 2А, если фотоэффект происходит?
Покажите,пожалуйста,ваши подробные вычисления,а то не получается у меня
Приравняйте 2 равенства и все олучится
Отсюда сразу ответ следует
Задания Д16 B27 № 3273Для наблюдения фотоэффекта взяли металлическую пластину с работой выхода и освещали ее светом частотой Затем частоту света уменьшили в 2 раза и увеличили в 3 раза число фотонов, падающих на пластину за 1 с. В результате число фотоэлектронов, вылетающих из пластины за 1 с
1) уменьшилось до нуля
2) уменьшилось в 2 раза
3) увеличилось в 3 раза
4) не изменилось
Для металлической пластины с работой выхода красная граница фотоэффекта равна Поскольку в изначальном эксперименте пластину освещали светом с частотой, большей чем фотоэффект наблюдался. Проверим, наблюдался ли фотоэффект после описанных в условии задачи изменений. После уменьшения частоты света в 2 раза, она стала равна то есть по-прежнему была больше, чем Следовательно, фотоэлектроны продолжали вылетать с поверхности металла. Число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности проводника в единицу времени не зависит от энергии фотонов, оно определяется только интенсивностью пучка света. При увеличении интенсивности в 3 раза, число фотоэлектронов увеличивается в 3 раза.
Урок 22. Фотоэффект
Читайте также: