Основное содержание урока

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 23.Фотоны. Применение фотоэффекта. Давление света

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Применение фотоэффекта.

2. Фотоны. Корпускулярно-волновой дуализм.

3. Формула де Бройля

4. Давление света. Опыты П.Н. Лебедева

5. Опыты С.И. Вавилова.

6. Химическое действие света.

Глоссарий по теме

Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из металла под действием света.

Явление внутреннего фотоэффекта – это явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе под действием света.

Фотоэлемент – это устройство, в котором энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё.

Свет — это поток фотонов, каждый из фотонов обладает импульсом:

Свет обладает корпускулярно – волновым дуализмом: при его распространении преобладают волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) – корпускулярные.

Открытые электронные ресурсы:

http://kvant.mccme.ru/1988/06/davlenie_sveta.htm

Основное содержание урока

1.Явление фотоэффекта широко применяют в науке и технике: оно позволяет осуществить непосредственное преобразование энергии света в электрическую энергию. С помощью фотоэффекта появился звук в кино, стала возможной передача движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без участия человека изготовляют детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше человека, вовремя включают и выключают уличное освещение и т. п.

Вспомним, что явление фотоэффекта делится на внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из металла под действием света. Это явление применяется в вакуумных фотоэлементах. Явление внутреннего фотоэффекта – это явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе под действием света. Это явление применяется в полупроводниковых фотоэлементах.

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. В них энергия света управляет энергией электрического тока или превращается в нее. Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому источники электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков. Рассмотрим устройство современного вакуумного фотоэлемента. Он представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла. Этот слой изготовлен из металла с малой работой выхода и служит катодом.

Анодом служит проволочная петля (или диск), находящаяся в центре колбы. Анод улавливает фотоэлектроны. Он присоединяется к положительному полюсу батареи, а катод – к отрицательному.

Когда свет через прозрачную часть колбы попадает на катод, в цепи возникает электрический ток (за счет движения электронов, вырванных из металла). Этот ток регистрируется тем или иным устройством, в результате чего включается (или наоборот выключается) реле. Эта схема работы лежит в основе всех, так называемых, видящих автоматов – тех же автоматических дверей. Когда человек подходит к такой двери, он закрывает собой свет, и на это незамедлительно реагирует фотоэлемент, а за ним и реле. Можно заметить похожую картину и в современных лифтах: если стоять в дверном проеме, то дверь не будет закрываться. По тому же принципу действуют турникеты в метро или освещение, которое автоматически включается, когда вы входите в помещение.

В аэронавигации, в военном деле широко применяют фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачны. С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

2. Принцип действия полупроводникового фотоэлемента основано на явлении внутреннего фотоэффекта. Напомним, что полупроводники делятся на полупроводники n -типа и полупроводники p -типа. Полупроводники n -типа – это полупроводники с донорными примесями: в них основными носителями зарядов являются электроны. Полупроводник p-типа — полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда дырки.

Под действием света образуются новые пары электрон-дырка. Это приводит к тому, что в полупроводнике n -типа накапливается все больше электронов, а в полупроводнике p -типа накапливается все больше дырок. При замыкании цепи в ней возникнет электрический ток, равный разности токов основных и неосновных носителей. Сила тока будет зависеть от интенсивности падающего света и от сопротивления цепи.

Полупроводниковые фотоэлементы используют также в качестве экономичных источников тока. Ярким примером таких источников являются солнечные батареи.

3.Основные выводы:

Фотоэлемент – это устройство, в котором энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё.

В вакуумных фотоэлементах используется внешний фотоэффект.

В полупроводниковых фотоэлементах используется внутренний фотоэффект.

4. В современной физике фотон считается одной из элементарных частиц, являющейся переносчиком электромагнитного взаимодействия. Рассмотрим фотон в рамках явления фотоэффекта. 14 декабря 1900 г. немецкий физик Макс Планк выступил на заседании Немецкого физического общества с докладом, посвящённым проблеме распределения энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела. Он установил формулу, которая выражала зависимость энергии электромагнитных волн от частоты. Так зарождалась квантовая теория, но Планк не мог тогда предположить, к каким революционным преобразованиям в будущем приведёт его «рабочая» формула! Альберт Эйнштейн был первым физиком, всерьёз заинтересовавшимся гипотезой Планка. Он пишет статью в марте 1905 г «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света», где приводит понятие – световые кванта – частицы, из которых состоит электромагнитное излучение. Позднее эти частицы – кванты электромагнитного излучения стали называть фотонами.

5. Так какими же свойствами обладает фотон?

По современным представлениям фотоны обладают следующими свойствами:

1)Заряд фотона равен нулю.

2) Скорость фотона равна скорости света в вакууме.

с = νλ = 3·10⁸ м/с

3)Масса покоя фотона равна нулю.

4)Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения, квантом которого он является.

Часто энергию фотона выражают через циклическую частоту омега:

При этом в формуле энергии кванта в качестве коэффициента пропорциональности вводится вместо постоянной Планка h используют величину аш с чертой:

5) Масса движущегося фотона определяется формулой:

У фотона нет массы покоя, так как не существует в состоянии покоя.

Масса, определяемая формулой , это масса движущегося фотона.

6) Зная массу и скорость можно найти импульс фотона:

Импульс фотона направлен вдоль светового луча.

Перечисленные свойства фотонов были установлены не сразу. В начале XX века сама идея о существовании световых квантов встречала резкое неприятие. Ведь интерференция, дифракция света явно показывала, что свет – это волна. А теория Эйнштейна этому противоречила. Согласно квантовым представлениям свет – это поток частиц – фотонов, движущихся со скоростью света. Таким образом, свет обладает корпускулярно – волновым дуализмом: при его распространении преобладают волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) – корпускулярные.

Свет оказался сложным явлением.

6. В 1923 году французский ученый Луи де Бройль высказал необычную мысль: может быть электрон и другие частицы обладают также и волновыми свойствами. Де Бройль получил формулу длины волны для этих волн.

Знаменитая формула для длины волны де Бройля:

Экспериментально обнаружены волновые свойства электронов, протонов, нейтронов.

У частицы, имеющей некоторую массу m и движущейся со скоростью v, можно определить длину волны (связь длины волны с импульсом, формула де Бройля):

7. В 1873 г. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствия. Впервые гипотеза о световом давлении была высказана еще в 1619 г. немецким ученым И. Кеплером (1571-1630) для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца.

Предсказанное Максвеллом существование светового давления было экспериментально подтверждено Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Оно оказалось чрезвычайно малым, 4*10^-?6Па. Тем не менее, световое давление сыграло большую роль в развитии физики, особенно такого его важного раздела, как теория электромагнитного поля.

Как объяснить возникновение светового давления с позиций квантовой теории света?

Свет — это поток фотонов, каждый из фотонов обладает импульсом:

При поглощении веществом фотон перестает существовать, но импульс его, по закону сохранения импульса, не может совсем исчезнуть. Он передается телу, значит, на тело действует сила. Это верно, когда свет веществом поглощается. Свет еще может отражаться телами, а если тело прозрачно, то может проходить сквозь него. Что же наблюдается в реальных условиях? В реальных условиях свет частично отражается телом, частично поглощается, а если это, например, стекло, то свет проходит сквозь него. Но как будет обстоять дело, если поверхность зеркальная? Возникает ли световое давление в данном случае?

Для простоты предположим, что свет падает перпендикулярно к поверхности зеркала.

Мы знаем, что при абсолютном ударе какого-либо тела о стенку она получает импульс, модуль которого равен удвоенному модулю импульса тела, то есть 2mυ.

Здесь будет то же самое. Отражаясь, фотон летит с той же скоростью, но в противоположном направлении. Значит, при отражении фотона от зеркала его импульс изменяется на 2mc.

Такое же изменение импульса, но в противоположном направлении, получит зеркало. Сила давления света в случае отражения будет в 2 раза больше, чем в случае поглощения. Таким образом, световое давление в реальных условиях обусловлено как поглощением, так и отражением фотонов.

8. Световое давление принадлежит к числу тех оптических явлений, которые могут быть объяснены с позиций, как квантовой теории света, так и волновой.

Как же объяснить световое давление на основе волновой теории?

Предположим, что световая волна падает на поверхность тела по нормали. Как будет направлена тогда сила светового давления? Тоже по нормали в сторону распространения света. Откуда это следует? Какова природа этой силы с точки зрения волновой теории? Все тела состоят из молекул, атомов, а атомы из электронов, протонов и нейтронов.

На эти частицы при прохождении электромагнитной волны будут действовать силы со стороны электрического поля волны. Эта сила равна F=qE.. На движущиеся в магнитном поле заряженные частицы будут действовать сила Лоренца. Сила Лоренца рассчитывается по формуле F=q𝞾Bsin a, а направление этой силы определяется по правилу левой руки.

Итак, электромагнитная волна может оказывать воздействие только на заряженные частицы. Световое давление объясняется действием световой волны на заряженные частицы, находящиеся в теле.

9. А сейчас постараемся выяснить, какие силы, электрические или магнитные, или те и другие, вызывают световое давление. Разберемся в этом с помощью рисунка. Как мы знаем, вектор напряженности электрического поля и вектор магнитной индукции в электромагнитной волне взаимно перпендикулярны.

Рассмотрим в начале действие электромагнитной волны на положительный заряд. Какие силы будут действовать на заряд?

Электрическая сила F=qE будет действовать в сторону вектора напряженности электрического поля. Значит, в ту же сторону начнет смещаться заряд под действием электрической силы. Но эта сила не совпадает по направлению с силой светового давления. Так как заряд под действием электрической силы начнет двигаться, то наго будет действовать магнитное поле волны. Возникает сила Лоренца. Чтобы определить направление силы Лоренца, надо левую руку расположить так, чтобы вектор входил в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены в сторону движения частицы, тогда отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление силы Лоренца. Значит, сила Лоренца направлена внутрь тела, а световое давление представляет собой сумму Лоренцовых сил, действующих на все положительные заряды, находящиеся в теле.

Но в теле есть и отрицательные электроны.

На них тоже действует сила Лоренца. Электроны должны двигаться против поля Е, так как имеют отрицательный заряд, и, применяя правило левой руки, выясняем, что на электроны сила Лоренца будет действовать в ту же сторону, то есть внутрь тела.

Эти силы Лоренца в совокупности и создают световое давление.

10. А теперь остановимся непосредственно на опытах Лебедева.

В экспериментальной установке Лебедев на тонкой упругой кварцевой нити было подвешено коромысло с крылышками на концах. Крылышки были сделаны из тонкой металлической фольги. Одно крылышко было покрыто слоем сажи. Крылышки облучались мощным источником света. При поглощении света черной поверхностью крылышко получит от волны импульс р. При отражении волны от блестящей поверхности крылышко получит от волны импульс 2р. Поэтому световое давление на черное крылышко в 2 раза меньше, чем на блестящее. Это приводит к повороту крылышка и закручиванию упругой нити. Зная угол поворота коромысла, его длину, площадь крылышек и упругие свойства нити Лебедев определил световое давление. Угол поворота коромысла определялся по отклонению светового луча. Однако Лебедев, проделывая данный опыт, столкнулся с побочными явлениями. В частности, наблюдался радиометрический эффект: под действием света крылышки нагреваются и при этом черное крыло нагревается сильнее блестящего. Так как температура черного крылышка выше температуры блестящего, то черное крылышко передает молекулам окружающего воздуха больший суммарный импульс, чем блестящее, и по закону сохранения импульса само получает больший импульс противоположного направления. В результате возникает закручивающий момент примерно в 1000 раз больше закручивающего момента, обусловленного световым давлением. Чтобы устранить радиометрический эффект, Лебедев поместил прибор в сосуд с вакуумом и взял очень большой сосуд и очень тонкие крылышки.

Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство существования давления света и того, что фотоны обладают импульсом. Результаты, полученные Лебедевым в 1900 году, совпали со значением светового давления, полученным теоретически, и подтвердили расчеты Максвелла. Расчеты силы давления света на основе фотонной и электромагнитной теорий света дали одинаковые результаты.

11. Опытным доказательством фотонной теории являются также опыты С. И. Вавилова, посвященные изучению флуктуации слабых световых потоков.

В опытах Вавилова исследователь наблюдал пучок света, который выпускался через каждую секунду на промежуток времени 0,1 с. Если величина светового потока превышала порог чувствительности, то глаз наблюдал каждую вспышку света. При уменьшении интенсивности света некоторые вспышки уже не оказывали действия на наблюдателя. Чем меньше интенсивность света, тем больше оказывалось пропусков. Зная число попадающих в глаз импульсов, и фиксируя обнаруженные глазом вспышки, можно определить число тех импульсов, которые глаз не заметил, так как они содержали недостаточное количество квантов. Таким образом, были непосредственно обнаружены флуктуации числа фотонов в световом потоке. Трудно предложить более непосредственное доказательство корпускулярной природы света

12.Бесспорно, что мы не можем не вспомнить и о химических действиях света. Отдельные молекулы поглощают световую энергию порциями. В случаи видимого и ультрафиолетового излучений ее достаточно для расщепления многих молекул, а любое превращение молекул есть химический процесс. Часто после расщепления молекул светом, начинается целая цепочка химических превращений. Химическое действие света является еще одним доказательством квантовой теории света. Фотохимические процессы лежат в основе фотографии, фотосинтеза и механизма зрения. Зрительное ощущение человека и животных связано с фотохимическими процессами. Свет, достигая сетчатки, поглощается светочувствительным веществом. Механизм разложения этих веществ и последующего их восстановления пока не выяснен, но установлено, что продукты разложения вызывают раздражение зрительного нерва. В результате чего по нерву проходят электрические импульсы в головной мозг, и возникают ощущение света. Мы вполне отчетливо видим предметы, освещенные ярким солнцем, равно как те же предметы при умеренном вечернем освещении. Эта способность глаза приспосабливаться к весьма широкому диапазону яркостей носит название адаптация.

Наибольшее значение имеет химический процесс, который разыгрывается под действием света в зеленых частях растений. Как известно, дыхание всех живых существ сопровождается окислением углерода, входящего в состав их тела. Сгорание углерода в углекислоту (СО₂) сопровождается освобождением энергии, которая и используется животными при их движении. Обратный процесс расщепления СO₂ происходит в зелёных частях растений под действием солнечного света, как фотохимический процесс. Расщепление углекислоты сопровождается дальнейшими химическими превращениями, приводящими, в конце концов, к образованию тех основных органических соединений, из которых построено тело растений и животных.

Все это происходит за счет энергии солнечных лучей. Здесь важно не только сама энергия, но и та форма, в которой она поступает. Фотосинтез может протекать только под действием света определенного спектрального состава. До конца механизм фотосинтеза не выяснен, а когда это произойдет, для человечества начнется новая эра.