Тема: Фотоелектричний ефект. Досліди О.Г.Столєтова. Рівняння Ейнштейна для фотоефекта

    У процесі вивчення взаємодії світла з речовиною було відкрито деякі оптичні явища, які не вдавалося пояснити з точки зору електромагнітної теорії світла.

Особливістю всіх світлових явищ є те, що всі вони виявляються при взаємодії світла з речовиною. При цьому існує ряд явищ, в яких яскраво проявляються хвильові властивості світла, з якими ми познайомилися під час вивчення хвильової оптики.

 Але в деяких випадках, як показує досвід, взаємодія світла з речовиною відбувається згідно квантовим уявленням про природу електромагнітних хвиль.

 Електромагнітна теорія Максвелла не могла пояснити ні стійкість атома, ні закон розподілу енергії в спектрах випромінювання по довжинах хвиль, ні холодного світіння, ні походження лінійчатих спектрів випромінювання. Виникають протиріччя і з’являється термін «ультрафіолетова катастрофа».

У пошуках виходу з цього протиріччя між теорією і досвідом німецький фізик Макс Планк запропонував, що атоми випускають електромагнітну енергію окремими порціями - квантами. Енергія кожної порції прямо пропорційна частоті випромінювання:

E = hν

Коефіцієнт пропорційності h отримав назву постійної Планка: (слайд №5)

Дж с

Подумайте над словом "фотоефект".

 Який сенс несе це слово?

Видно, що слово складається з двох іноземних слів: фото і ефект. Як же ці слова  переводяться?

Фото - від грецького - світло, а ефект - від латинського - дію. Дослівно - дія світла

Таким чином ми з'ясували що таке фотоефект. Розглянемо це явище детальніше

Фотоефект – виривання електронів з поверхні металу під дією світла.

Для виявлення фотоефекту можна використати електрометр з приєднаною до нього цинковою платівкою.

У розвитку уявлень про природу світла важливий крок був зроблений при вивченні одного чудового явища, відкритого Г. Герцем і ретельно досліджено видатним російським фізиком Олександром Григоровичем Столєтовим.

 

Столєтов Олександр Григорович

Олександр Григорович проводячи багаторазові експерименти, встановив, що металева пластинка, а точніше її поверхня випускає електрони під дією електромагнітного ультрафіолетового випромінювання або випромінювання будь-якого іншого діапазону.

Схема експерименту була така: електрометр, з приєднаною до нього цинкової платівкою, зарядженої позитивно, при висвітленні пластини, наприклад електричної дугою, не впливає на швидкість розрядки електрометра. Але якщо пластину зарядити негативно, то світловий пучок від дуги розряджає електрометрії дуже швидко. Пояснити це можна єдиним чином. Світло вириває електрони з поверхні пластини. Якщо вона заряджена негативно, електрони відштовхуються від неї і електрометрії розряджається. При позитивному заряді пластини вирвані світлом електрони притягаються до пластини і знову осідають на ній. Тому заряд електрометра не змінюється.

 Однак, коли на шляху світла поставлено звичайне скло, негативно заряджена пластина вже не втрачає електрони, яка б не було інтенсивність випромінювання. Так як відомо, що скло поглинає ультрафіолетові промені, то з цього можна зробити висновок, що саме ультрафіолетовий ділянку спектра викликає фотоефект.

Пояснити цього Олександр Григорович не зміг, але все ж, ця робота принесла йому світову популярність.

Для того щоб отримати більш повне уявлення, потрібно з'ясувати від чого залежить кількість вирваних світлом з поверхні речовини електронів і чим визначається їх швидкість або кінетична енергія. З цією метою були проведені експериментальні дослідження.

 

Закони фотоефекту

 

 

1 Сила фотоструму насичення прямо пропорційна падаючому на фотокатод світловому потоку

 

2. Максимальна швидкість вибитих випромінюванням електронів не залежить від освітлення поверхні, а визначається лише частотою цього випромінювання

 

3. Кожній речовині відповідає мінімальна частота випромінювання (червона межа), нижче якої фотоефект неможливий

 

У 1905 році Альберт Ейнштейн показав, що закони фотоефекту легко пояснюються, якщо припустити, що випромінювання поширюється в просторі у вигляді окремих порцій енергії - квантів електромагнітного поля(фотонів)

Розвиваючи ідеї Планка, Ейнштейн ввів гіпотезу світлових квантів, згідно з якою електромагнітне випромінювання саме складається з таких квантів, і на її основі пояснив, і сформулював низку закономірностей фотоефекту.

За виконану за цим геніальну роботу, Ейнштейн у 1921 році був удостоєний Нобелівської премії.

 Роботи його були удостоєні і багатьох інших почесних нагород.

Поглинання світла полягає в тому, що фотони передають всю свою енергію атомам і молекулам речовини, тобто поглинання світла, як і його поширення, відбувається переривчасто(дискретно), окремими порціями.

Явище фотоефекту показало, що світло має переривчасту структуру: випроменена порція світлової енергії E = hν зберігає індивідуальність і надалі. Поглинутися може тільки вся порція цілком.

      Кінетичну енергію фотоелектрона можна знайти, використовучи закон збереження.

    Енергія порції світла hν іде на виконання роботи виходу, яку треба зробити для вилучення електрона з металу, і на надання кінетичної енергії електрону. Таким чином

 

 

Це рівняння пояснює основні факти, що стосуються фотоефекту.

Для кожної речовини фотоефект спостерігається лише в тому випадку, якщо частота світла ν більше мінімального значення νmin. Щоб вирвати електрон з металу навіть без повідомлення йому кінетичної енергії, потрібно виконати роботу виходу.

Значення роботи виходу для різних речовин можна знайти в довідкових таблицях.

Таким чином, енергія кванта повинна бути більше цієї роботи hν  A.

Граничну частоту ν_min. називають червоною межею фотоефекту.