Фотоэффект Скачать
презентацию
<<  Энергия фотоэффекта Открытие фотоэффекта  >>
Курс лекций по общей физике
Курс лекций по общей физике
Курс лекций по общей физике
Курс лекций по общей физике
Медная сетка
Медная сетка
*
*
Единицы масштаба
Единицы масштаба
Единицы масштаба
Единицы масштаба
Вавилов Сергей Иванович
Вавилов Сергей Иванович
Упругое столкновение
Упругое столкновение
Боте разработал метод совпадения
Боте разработал метод совпадения
Тормозное рентгеновское излучение
Тормозное рентгеновское излучение
Излучения всех длин волн
Излучения всех длин волн
Луи де Бройль
Луи де Бройль
Луи де Бройль
Луи де Бройль
Электронная пушка
Электронная пушка
Клинтон Дэвиссон
Клинтон Дэвиссон
Лестер Джермер
Лестер Джермер
Опыты Дэвиссона и Джермера
Опыты Дэвиссона и Джермера
56
56
Дифракция электронов
Дифракция электронов
Пучок малой интенсивности
Пучок малой интенсивности
Прохождение микрочастицы
Прохождение микрочастицы
Вернер Гейзенберг
Вернер Гейзенберг
Интерференцию электронов на двух щелях удалось зафиксировать
Интерференцию электронов на двух щелях удалось зафиксировать
Интерференционная картина
Интерференционная картина
Фото из презентации «Фотоэлектрический эффект» к уроку физики на тему «Фотоэффект»

Автор: t3. Чтобы познакомиться с фотографией в полном размере, нажмите на её эскиз. Чтобы можно было использовать все фотографии на уроке физики, скачайте бесплатно презентацию «Фотоэлектрический эффект» со всеми фотографиями в zip-архиве размером 2026 КБ.

Скачать презентацию

Фотоэлектрический эффект

содержание презентации «Фотоэлектрический эффект»
Сл Текст Эф Сл Текст Эф
1Курс лекций по общей физике. Крючков Юрий Юрьевич4 27единицу площади поверхности тела падает N фотонов, то0
профессор, д-р физ.-мат. наук каф. ОФ ЕНМФ ТПУ. при коэффициенте отражения ? света от поверхности тела
2З д р а в с т в у й т е!0 ?N фотонов отразится, а (1 - ?)N — поглотится. Каждый
3Лекция 19. Тема: Фотоэлектрический эффект. 19.1.0 поглощенный фотон передает поверхности импульс р? =
Фотоэлектрический эффект; 19.2. Законы внешнего hv/c, а каждый отраженный — 2р? = 2hv/c (при отражении
фотоэффекта; 19.3. Уравнение Эйнштейна для внешнего импульс.
фотоэффекта; 19.4. Применение фотоэффекта 28фотона изменяется на -р?). Давление света на0
(самостоятельно!!!) 19.5. Масса и импульс фотона; 19.6. поверхность равно импульсу, который передают
Эффект Комптона и его элементарная теория; Сегодня: поверхности в 1с N фотонов: Nhv = Ee есть энергия всех
пятница, 3 октября 2014 г. фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу
4Лекция 19. Тема: Фотоэлектрический эффект.0 времени, т. е. облученность поверхности, а Ее/с = ? -
Продолжение 19.7. Корпускулярно-волновой дуализм; объемная плотность энергии излучения. Поэтому давление,
электромагнитного излучения 19.8. Волны де Бройля. Опыт производимое светом при нормальном падении на
Девиссона. Сегодня: пятница, 3 октября 2014 г. поверхность, (19.5.3) Формула (19.5.3), выведенная на
5Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового1 основе квантовых представлений, совпадает с выражением,
излучения абсолютно черного тела, получила полученным из электромагнитной (волновой) теории
подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении Максвелла. Таким образом, давление света одинаково
фотоэффекта — явления, открытие и исследование которого успешно объясняется и волновой, и квантовой теорией.
сыграло важную роль в становлении квантовой теории. 29Экспериментальное доказательство существования0
Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. светового давления на твердые тела и газы дано в опытах
Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) П. Н. Лебедева, сыгравших в свое время большую роль в
называется испускание электронов веществом под утверждении теории Максвелла. Лебедев использовал
действием электромагнитного излучения. Внешний легкий подвес на тонкой нити, по краям которого
фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, прикреплены легкие крылышки, одни из которых зачернены,
полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на а поверхности других зеркальные. Для исключения
отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). конвекции и радиометрического эффекта использовалась
Фотоэффект открыт в 1887 г. Г. Герцем, наблюдавшим подвижная система зеркал, позволяющая направлять свет
усиление процесса разряда при облучении искрового на обе поверхности крылышек, подвес помещался в
промежутка ультрафиолетовыми лучами. Первые откачанный баллон, крылышки подбирались очень тонкими
фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены (чтобы температура обеих поверхностей была одинакова).
русским ученым А. Г. Столетовым. Принципиальная схема Значение светового давления на крылышки определялось по
для исследования фотоэффекта приведена на рис. 19.1. В углу закручивания нити подвеса и совпадало с
электрическую сеть включался конденсатор, теоретически рассчитанными. В частности, оказалось, что
положительной. 19.1. Фотоэлектрический эффект. давление света на зеркальную поверхность вдвое больше,
6обкладкой которого была медная сетка С, а0 чем на зачерненную (см. (19.5.3)).
отрицательной — цинковая пластина D. Когда от источника 3019.6. Эффект Комптона и его элементарная теория0
света S лучи направлялись на отрицательно заряженную Наиболее полно и ярко корпускулярные свойства света
пластину D, в цепи возникал электрический ток. Когда проявляются в эффекте Комптона. Американский физик А.
пластина D заряжалась положительно, а сетка С Комптон (1892 — 1962), исследуя в 1923 г. рассеяние
отрицательно, гальванометр G не обнаруживал монохроматических рентгеновских лучей веществами с
электрического тока. Столетов установил следующие легкими атомами (парафин, бор), обнаружил, что в
закономерности, не утратившие своего значения до нашего составе рассеянного излучения наряду с излучением
времени: Рис.19.1. Наиболее эффективное действие первоначальной длины волны наблюдается также излучение
оказывают ультрафиолетовые лучи; под действием света более длинных волн. Опыты показали, что разность ?? =
вещество теряет только отрицательные заряды; сила тока, ?' - ? не зависит от длины волны ? падающего излучения
возникающего под действием света, прямо пропорциональна и природы рассеивающего вещества, а определяется только
его интенсивности. величиной угла рассеяния ?: (19.6.1) где ?'— длина
7В 1899 г. Ф. Ленард (1862 - 1947, немецкий физик) и0 волны рассеянного излучения, ?к — комптоновская длина
У. Томсон методом отклонения зарядов в электрическом и волны (при рассеянии фотона на электроне ?к = 2,426
магнитном полях определили удельный заряд частиц, пм).
вырываемых светом из катода, доказав, что эти частицы 31e-. Схема явления Комптона. Источник ?21
являются электронами. Это было подтверждено в 1922 г. лучей-молибденовый антикатод, исследуемый
опытами А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравова, образец-графит. Изучался спектр лучей, рассеянных
исследовавшими фотоэффект на микроскопических графитом под различными углами . Для этого был применен
заряженных металлических пылинках. Кроме внешнего рентгеновский спектрометр. ? ?
фотоэффекта существует внутренний фотоэффект - 32*. На (рис.19.6) представлены итоги измерений,3
вызванные электромагнитным излучением переходы сделанных Комптоном. Оказалось, что в спектре
электронов внутри полупроводника или диэлектрика из рассеянных лучей, кроме линии, имеющей длину волны
связанных состояний в свободные без вылета наружу. В излучения, падающего на графит, появляется еще одна
результате концентрация носителей тока внутри тела линия с большей длиной волны; сдвиг длины волны этой
увеличивается, что приводит к возникновению линии по отношению к длине основной растет с
фотопроводимости (повышению электропроводности увеличением угла рассеяния ?. Эффектом Комптона
полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к называется упругое рассеяние коротковолнового
возникновению э. д. с. электромагнитного излучения (рентгеновского и
8*. u. Рис.19.3. Рис.19.2. J. J1. e-. A. K. J2. mA.55 ?-излучений) на свободных (или слабосвязанных)
V. 0. -U. электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины
9Вентильный фотоэффект — возникновение э. д. с.0 волны.
(фото-э. д. с.) при освещении контакта двух разных 33Этот эффект не укладывается в рамки волновой0
полупроводников или полупроводника и металла (при теории, согласно которой длина волны при рассеянии
отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный изменяться не должна: под действием периодического поля
фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого световой волны электрон колеблется с частотой поля и
преобразования солнечной энергии в электрическую. поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.
Приведенная на рис. 19.2 экспериментальная установка Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых
позволяет исследовать вольтамперную характеристику представлений о природе света. Если считать, как это
фотоэффекта — зависимость фототока J, образуемого делает квантовая теория, что излучение имеет
потоком электронов, испускаемых катодом под действием корпускулярную природу, т. е. представляет собой поток
света, от напряжения U между электродами. Такая фотонов, то эффект Комптона — результат упругого
зависимость, соответствующая двум различным столкновения рентгеновских фотонов со свободными
освещенностям Е0 катода (частота света в обоих случаях электронами вещества (для легких атомов электроны слабо
одинакова), приведена на рис. 19.3. По мере увеличения связаны с ядрами атомов, поэтому их можно считать
U фото-ток постепенно возрастает, т. е. все большее свободными). В процессе этого столкновения фотон
число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер передает электрону часть своих энергии и импульса в
кривых показывает, что электроны вылетают из катода с соответствии с законами их сохранения.
различными скоростями. 34Рассмотрим упругое столкновение двух частиц (рис.0
10Максимальное значение тока Jнас — фототок насыщения0 19.7) - налетающего фотона, обладающего импульсом р? =
— определяется таким значением U, при котором все hv/c и энергией ?? = hv, с покоящимся свободным
электроны, испускаемые катодом, достигают анода: где п электроном (энергия покоя W0 = т0с2; т0 — масса покоя
— число электронов, испускаемых катодом в 1 с. Из электрона). Фотон, столкнувшись с электроном, передает
вольтамперной характеристики следует, что при (U = 0) ему часть своей энергии и импульса и изме- няет
фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые направление движения (рассеивается). Уменьшение энергии
светом из катода, обладают некоторой начальной фотона и означает увеличение длины волны рассеянного
скоростью ?, а значит, и отличной от нуля кинетической излучения. Пусть импульс и энергия рассеянного фотона
энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. равны р'у = hv'/c и ?'у = hv'. Электрон, ранее
Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо покоившийся, приобретает импульс ре = m? и энергию W=
приложить задерживающее напряжение U0. При U = U0 ни mс2 и приходит в движение — испытывает отдачу. При
один из электронов, даже обладающий при вылете из каждом таком столкновении выполняются законы сохранения
катода максимальной скоростью ?макс, не может энергии и импульса. Согласно закону сохранения энергии,
преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Рис.19.7.
Следовательно, (19.1.1). 35(19.6.2) а согласно закону сохранения импульса,0
11т. е., измерив задерживающее напряжение U0, можно0 (19.6.3) Подставив в выражении (19.6.2) значения
определить максимальные значения скорости и величин и представив (19.6.3) в соответствии с рис.
кинетической энергии фотоэлектронов. Путем изучения 19.6, получим (19.6.4) (19.6.5) Масса электрона отдачи
вольтамперных характеристик разнообразных материалов связана с его скоростью ? соотношением m* = m0/?l — (?
(важна чистота поверхности, поэтому измерения /c)2. Возведя уравнение (19.6.4) в квадрат, а затем
проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при вычитая из него (19.6.5) и учитывая m* получим.
различных частотах падающего на катод излучения и 36Поскольку ? = с/?, ?' = с/ ?' и ?? = ?' - ?,0
различных энергетических освещенностях катода и получим (19.6.6) Выражение (19.6.6) есть не что иное,
обобщения полученных данных были установлены следующие как полученная экспериментально Комптоном формула
три закона внешнего фотоэффекта (Законы Столетова). (19.6.1). Подстановка в нее значений h, m0 и с дает
1219.2. Законы внешнего фотоэффекта I. Закон0 комптоновскую длину волны электрона ?к = h/(moc) =
Столетова: при фиксированной частоте падающего света 2,426 пм. Наличие в составе рассеянного излучения
число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу «несмещенной» линии (излучения первоначальной длины
времени, пропорционально интенсивности света (сила волны) можно объяснить следующим образом. При
фототока насыщения пропорциональна энергетической рассмотрении механизма рассеяния предполагалось, что
освещенности Ее катода). II.Максимальная начальная фотон соударяется лишь со свободным электроном. Однако
скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) если электрон сильно связан с атомом, как это.
фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего 37имеет место для внутренних электронов (особенно в0
света, а определяется только его частотой v, а именно тяжелых атомах), то фотон обменивается энергией и
линейно возрастает с увеличением частоты. III. Для импульсом с атомом в целом. Так как масса атома по
каждого вещества существует «красная граница» сравнению с массой электрона очень велика, то атому
фотоэффекта, т. е. минимальная частота v0 света передается лишь ничтожная часть энергии фотона. Поэтому
(зависящая от химической природы вещества и состояния в данном случае длина волны ?' рассеянного излучения
eго поверхности), при которой свет любой интенсивности практически не будет отличаться от длины волны ?
фотоэффекта не вызывает. падающего излучения. Эффект Комптона наблюдается не
13Кроме того, установлена практическая0 только на электронах, но и на других заряженных
безинерционность фотоэффекта: ток немедленно возникает частицах, например протонах, однако ввиду большой массы
при освещении поверхности тела, при условии, что протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии
частота света ? >> v0. Качественное объяснение фотонов очень высоких энергий.
фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не 38Боте разработал метод совпадения. Тонкая4
должно было бы представлять трудностей. Действительно, металлическая фольга Ф помещается между двумя
под действием поля световой волны в металле возникают газоразрядными счетчиками Сч. Так было экспериментально
вынужденные колебания электронов, амплитуда которых доказано существование особых световых частиц –
(например, при резонансе) может быть достаточной для фотонов. Опыт Боте. 38.
того, чтобы электроны покинули металл; тогда и 39Тормозное рентгеновское излучение. Тормозное9
наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия, с которой рентгеновское излучение. Тормозное рентгеновское
электрон вырывается из металла, должна была бы зависеть излучение. - Мощность излучения электрона. За время
от интенсивности падающего света, так как с увеличением торможения электрон излучает энергию. Где ?0 –
последней электрону передавалась бы большая энергия. начальная скорость электрона. Квантовая природа
Однако этот вывод противоречит II закону фотоэффекта. излучения подтверждается также существованием
Так как, по волновой теории, энергия, передаваемая коротковолновой границы тормозного рентгеновского
электронам, пропорциональна интенсивности света, то спектра. 39.
свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности 40Согласно классической электродинамике при2
должен был бы вырывать электроны из металла; иными торможении электрона, должны возникать излучения всех
словами, «красной границы» фотоэффекта не должно быть, длин волн от нуля до бесконечности. Длина волны, на
что противоречит III. которую приходится максимум мощности излучения, должна
14закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не0 уменьшаться по мере увеличения скорости электронов, что
смогла объ- яснить безинерционность фотоэффекта, подтверждается на опыте. 40.
установленную опытами. Таким образом, фотоэффект 41Экспериментально установлено, что. Существование6
необъясним с точки зрения волновой теории света. 19.3. коротковолновой границы непосредственно вытекает из
Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта А. квантовой природы излучения. Действительно если
Эйнштейн в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта и излучение возникает за счёт энергии, теряемой
его закономерности могут быть объяснены на основе электроном при торможении, то энергия кванта ?? не
предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Согласно может превысить энергию электрона eU т.е. ?? ? eU или
Эйнштейну, свет частотой v не только испускается, как h? ? eU, отсюда. Или. 41.
это предполагал Планк, но и распространяется в 42Фотон обладает энергией W = h? = h(c/?). Для5
пространстве, и поглощается веществом отдельными видимого света длина волны ? = 0,5 мкм и энергией W =
порциями (квантами), энергия которых ?0 = h?. В 2,2 эВ, для рентгеновских лучей ? = 10 — 0,005нм и W =
монохроматическом свете с частотой v все фотоны имеют 100 эВ до 250 кэВ. Фотон обладает инертной массой: W =
одинаковую энергию, равную hv. Поглощение света состоит mc2 ? mф = W/c2 = hc/?c2 = h/c?; Фотон движется со
в том, что фотоны передают всю свою энергию!!! атомам и скоростью света c = 3·108 м/с. Подставим это значение
молекулам вещества. Из этого следует, что поглощение скорости в выражение. 42.
света, как и его. 43Фотон – частица, не обладающая массой покоя потому,4
15распространение, происходит прерывно, отдельными0 что она может существовать только двигаясь со скоростью
порциями. Эйнштейн пришел к этим результатам, света c. Найдем выражение для энергии и импульса
анализируя свойства электромагнитного поля излучения с фотона. Мы знаем релятивистское выражение для импульса.
частотой v, заключенного в объеме V0. стенки которого И для энергии. 43.
абсолютно «черные». Он доказал, что возможно такое 44В последнем выражении размерности всех членов6
состояние электромагнитного поля, когда вся его энергия соответствуют размерности p2 т. е. p2 = E2/c2 откуда.
E соберется в малом объеме V<<V0. Вероятность Где k – волновое число. 44.
такого явления, как показал Эйнштейн, выражается 45Фотоны. Свойства фотонов: Масса покоя =0 2.8
формулой w = (V/Vo)E/hv. Этот результат он сравнил с Скорость = с 3. Фотон обладает. Свет обнаруживает
полученным им же результатом по расчету вероятности корпускулярно-волновой дуализм. Энергией. Импульсом.
флуктуации плотности газа. Пусть в объеме V0 находится 45.
N молекул идеального газа. Существует определенная, 4619.7. Корпускулярно-волновая природа света. *.7
хотя и очень малая, вероятность того, что все молекулы Опыты Ботэ, эффект Комптона, тепловое излучение, опыты
самопроизвольно соберутся в объеме V<<V0. Легко Лебедева, опыты Добронравова казалось бы убедительно
убедиться, что w = (V/Vo)N. Сравнивая эти формулы для доказывают справедливость квантовых (корпускулярных)
вероятностей рассматриваемых флуктуации, Эйнштейн представлений о природе света. Однако, с другой
пришел к выводу, что в случае электромагнитного поля стороны,большая группа оптических явлений:
роль числа частиц играет отношение E/hv. Это означает, интерференция, дифракция, поляризация света, дифракция
что излучение состоит из отдельных частиц — фотонов с электронов, дифракция рентгеновских лучей неопровержимо
энергией hv каждый. свидетельствуют о волновой природе света. По
16Т.o, распространение света нужно рассматривать не0 современным представлениям свет одновременно обладает
как непрерывный волновой процесс, а как поток свойствами непрерывных электромагнитных волн и
локализованных в пространстве дискретных световых свойствами дискретных фотонов. Корпускулярные свойства
квантов, движущихся со скоростью с распространения обусловлены тем, что энергия, импульс и масса излучения
света в вакууме. Эти кванты электромагнитного излучения локализованы в дискретных «частицах»-фотонах, волновые
получили название фотонов. По Эйнштейну, каждый квант - статистическими закономерностями распределения
поглощается только одним электроном. Поэтому число фотонов в пространстве,
вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально 47*. Определяющими вероятности нахождения фотонов в5
числу поглощенных фотонов, т. е. пропорционально различных точках пространства. Опыты по дифракции с
интенсивности света (I закон фотоэффекта). малыми и большими интенсивностями света дают одинаковую
Безинерционность фотоэффекта объясняется тем, что дифракционную картину, это позволяет считать, что
передача энергии при столкновении фотона с электроном волновые свойства присущи не только совокупности
происходит почти мгновенно. Энергия падающего фотона большого числа одновременно движущихся фотонов, но
расходуется на совершение электроном работы выхода А из также каждому отдельному фотону. Волновые свойства
металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону фотона проявляются в том, что для него нельзя указать
кинетической энергии. точно, в какую именно точку экрана он попадет после
17По закону сохранения энергии, h? = A + (19.3.1)0 прохождения через рассматриваемую оптическую систему.
Уравнение (19.3.1) называется уравнением Эйнштейна для Можно говорить лишь о вероятности попадания фотона в
внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна позволяет различные точки экрана. Т.е. фотоны качественно
объяснить II и III законы фотоэффекта. Из (19.3.1) отличаются от световых корпускул Ньютона, движение
непосредственно следует, что максимальная кинетическая которых как считал Ньютон, подобно движению
энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением макроскопических тел.
частоты падающего излучения и не зависит от его 4819.8. Волны де Бройля. Опыт Дэвиссона. ? = h/m?7
интенсивности (числа фотонов), так как ни А, ни v от Формула де Бройля (19.8.1). *. По гипотезе де Бройля не
интенсивности света не зависят (II закон фотоэффекта). только фотоны, но и все "обыкновенные
Так как с уменьшением частоты света кинетическая частицы" (электроны, протоны, нейтроны и др.)
энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла обладают волновыми свойствами, которые, в частности,
А = const), то при некоторой достаточно малой частоте v должны проявляться в явлениях интерференции, дифракции.
= v0 кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной Гипотеза де Бройля вскоре была подтверждена
нулю и фотоэффект прекратится (III закон фотоэффекта). экспериментально. Девиссон и Джермер в 1927 г.
Согласно изложенному, из (19.3.1) получим, что ?0 = A/h наблюдали дифракцию электронов на монокристалле никеля.
(19.3.2). Узкий пучок электронов направлялся на поверхность
18и есть «красная граница» фотоэффекта для данного0 монокристалла никеля. Отраженные электроны улавливались
металла. Она зависит лишь от работы выхода электрона, цилиндрическим электродом (см. рис.), присоединенным к
т. е. от химической природы вещества и состояния его гальванометру. Интенсивность отраженного пучка
поверхности. Выражение (19.3.1), используя (19.1.1) и оценивалась по силе тока, текущего через гальванометр.
(19.3.2), можно записать в виде eU0 =h(? - ?0). 49Луи де Бройль Louis Victor Pierre Raymond duc de7
(19.3.3) Подтверждением правильности формулы (19.3.3) Broglie 15.08.1892 – 19.08.1987. 7-й герцог Бройльи.
является определение из нее постоянной Планка: Из опыта французский физик Родился в Дьеппе, Франция (Dieppe,
необходимо определить величину напряжения (-U0), при France) Умер в Париже, Фраеция (Paris, France). 49.
котором исчезает фототок. Далее, необходимо построить 50*. Электронная пушка. Цилиндр Фарадея. Кристалл11
графически зависимость еU0 от ?. Эта зависимость никеля. Схема опытов Девиссона.
выражается прямыми, представленными на рис. 19.4 для 51Клинтон Дэвиссон Clinton Joseph Davisson 22.10.18816
трех металлов: алюминия, цинка и никеля. Точками – 01.02.1958. американский физик Родился в Блумингтоне,
изображены результаты измерений еU0 при различных США (Bloomington, Illinois) Умер в Шарлотсвилле, США
частотах. Видно, что все прямые параллельны друг другу, (Virginia, Charlottesville) The Nobel Prize in Physics
причем наклон прямых не зависит от природы металла. По 1937. 51.
углу между прямыми и осью абсцисс можно определить 52Лестер Джермер Lester Halbert Germer 10.10.1896 –5
постоянную Планка: tg? = hK, где К — соотношение. 3.10.1971. американский физик Родился в Кембридже, США
19размерных величин, принятых за единицы масштаба по0 (Chicago) Умер в Нью-Йорке, США (Gardiner, New York).
осям еU0 и v. В наиболее точных опытах, проведенных в 52.
1928г. П. И. Лукирским и С. С. Прилежаевым, вакуумная 53При прохождении электроном ускоряющей разности5
трубка, изображенная на рис. 19.5, представляла собой потенциалов: 15.3. Если энергия электрона несколько эВ,
сферический конденсатор. Стеклянный шар, посеребренный то длина волны порядка 1 нм, то есть порядка
изнутри, являлся внешней обкладкой конденсатора и играл межплоскостных расстояний в кристалле (длины волны
роль анода А. Катод К имел вид шарика из исследуемого рентгеновского излучения). Поэтому для наблюдения
металла. В этой установке на анод попадают все дифракции микрочастиц следует использовать кристаллы.
электроны с такой начальной скоростью ?0, так что m?02? 53.
е|U0|, где U0 — задерживающее напряжение. Это повышает 54Опыты Дэвиссона и Джермера. Первым опытом по6
точность определения максимальной скорости дифракции частиц, подтвердившим исходную идею квантовой
фотоэлектронов ?0 и позволяет наиболее точно определить механики – корпускулярно-волновой дуализм, явился опыт
постоянную Планка. Рис.19.5. Рис.19.4. американских физиков К. Дэвиссона и Л. Джермера,
20Среднее значение h, полученное из наиболее точных0 проведенный в 1927 по дифракции электронов на
опытов по внешнему фотоэффекту, оказалось равным монокристаллах никеля. Условием наблюдения
6,543·10-34 Дж·с. Это согласуется с результатами других дифракционного максимума при отражении от кристалла
методов определения h. Тем самым подтверждается является условие Брэггов-Вульфа : В опыте Дэвиссона и
правильность уравнения Эйнштейна для фотоэффекта и идей Джермера при «отражении» электронов от поверхности
Эйнштейна о квантовом характере взаимодействия света с кристалла никеля при определённых углах отражения
электронами при фотоэффекте. Если интенсивность света возникали максимумы. 54.
очень большая (лазерные пучки), то возможен 55Ожидали получить дифракционную картину, аналогичную7
многофотонный (нелинейный) фотоэффект, при котором картине возникающей при дифракции рентгеновских лучей
электрон, испускаемый металлом, может одновременно на том же кристалле, поскольку длина волны де Бройля
получить энергию не одного, а N фотонов (N = 2,3,4,5). для электронов изменялась в диапазоне длин волн
Многофотонный фотоэффект описывается уравнением Nh? = A рентгеновских лучей. Ожидание подтвердилось. Падающие
+ m?2/2. Соответственно «красная граница» электроны. Отражённые электроны. Угловое распределение
многофотонного фотоэффекта (?0)N = A/(Nh). отражённых электронов в опытах Девиссона и Джермера.
21Блестящим экспериментальным подтверждением идеи0 5656.0
Эйнштейна о распространении света в виде потока 57Максимумы на кривой соответствуют отдельным2
отдельных фотонов и квантовом характере взаимодействия дифракционным максимумам. Их положение, найденное
электромагнитного излучения с веществом явились опыты экспериментально, в точности совпало с вычисленным из
А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравова по изучению условия Вульфа-Брегга, в которое подставлялась формула
фотоэффекта на микроскопических пылинках из висмута. де Бройля для ?. У кристалла никеля d = 0,91? и при U =
Пылинка уравновешивалась в электрическом поле плоского 54 В дебройлевская длина волны равна 0,167 нм.
конденсатора. Одна из пластин конденсатора Соответствующая длина волны, найденная по формуле
изготовлялась из тончайшей алюминиевой фольги, которая Вульфа-Брэггов, равна 0,165 нм. Совпадение очень
являлась одновременно антикатодом миниатюрной хорошее, так что гипотеза де Бройля подтверждается
рентгеновской трубки. Антикатод бомбардировался экспериментально.
ускоренными до 12 кВ фотоэлектронами, испускаемыми 58Описанные опыты были аналогичны опытам Лауэ с3
катодом при освещении ультрафиолетовым светом. рентгеновскими лучами. Опыты, аналогичные методу
Освещенность катода подбиралась такой слабой, чтобы из Дебая-Шерера, впервые были проведены П.О.Тартаковским,
него в 1 с вырывалось лишь 1000 фотоэлектронов. Это же Томсоном и Рейдом на быстрых электронах. Применимость
означает, что рентгеновское излучение антикатода формулы де Бройля не ограничивается только электронами;
состояло из отдельных импульсов (1000 импульсов в 1 с). любой частице соответствует волна, определяемая этой
Из опыта следовало, что в среднем через каждые 30 мин формулой. Для теннисного мяча (? = 25м/с.) – ? =
уравновешенная пылинка выходила из равновесия, т. е. 6·10-22см, для атомов водорода – ?=1,2·10-8 см, т.е
рентгеновское излучение освобождало из нее около 1 .
фотоэлектрон, приобретающий энергию согласно уравнению 59Дифракция позднее наблюдалась и для более тяжелых2
Эйнштейна (19.3.1). заряженных частиц – протонов, ионов гелия и др.
223.Опыт А.Ф.Иоффе и Н И.Добронравова. *. В. Wi. А.28 Экспериментально доказано, что волновые свойства
L. Катод (AI). К насосу. УФ лучи. Wi – Висмутовая присущи всем без исключения микрочастицам.
пылинка r = 3·10-5 см L – Кварцевое окошко А – Анод из 60Дифракция электронов при прохождении плёнок4
АI, толщиной ~ 5·10-3 мм В – Пластинка. алюминия и золота впервые исследовали Дж. Дж. Томсон и
23Если бы рентгеновское излучение распространялось в0 П. С. Тартаковский. (1927 г.). Вскоре после этого
виде сферических волн, а не отдельных фотонов, то удалось наблюдать и явления дифракции атомов и молекул.
каждый рентгеновский импульс отдавал бы пылинке очень Дифракция нейтронов. 60.
малую часть своей энергии, которая распределялась бы, в 61В 1949 г. Л.М. Биберман, Н.Г. Сушкин, В.А.3
свою очередь, между огромным числом электронов, Фабрикант использовали пучок малой интенсивности -
содержащихся в пылинке. Поэтому при таком механизме такой, что каждый рассеянный электрон проходил через
трудно вообразить, что один из электронов за такое кристалл поодиночке и регистрировался фотопластинкой.
короткое время, как 30 мин, может накопить энергию, Т.е. было доказано, что волновыми свойствами обладает
достаточную для преодоления работы выхода из пылинки. каждый отдельный электрон. Таким образом, было
Напротив, с точки зрения корпускулярной теории это доказано, что волновые свойства являются универсальным
возможно. Так, если рентгеновское излучение свойством всех микрочастиц. 61.
распространяется в виде потока дискретных фотонов, то 62Прохождение микрочастицы через две щели. Картина3
электрон выбивается из пылинки только тогда, когда в для электронов идентична картине для фотонов. 62.
нее попадает фотон. Элементарный расчет для выбранных 63В случае фотонов понятно, так как волна делится на8
условий дает, что в среднем в пылинку попадает один две части, которые интерферируют. Но электрон неделим и
фотон из 1800000. Так как в 1 с вылетает 1000 фотонов, локализован в одной точке при попадании на
то в среднем в пылинку будет попадать один фотон в 30 фотопластинку. Значит, движение частицы подчиняется
мин, что согласуется с результатами опыта. Если свет вероятностным законам. Интерференционная картина лишь
представляет собой поток фотонов, то каждый фотон, характеризует вероятность попадания электрона в
попадая в регистрирующий прибор (глаз, фотоэлемент), определенную точку экрана. Поскольку формально она
должен вызывать то или иное действие. обладает свойствами классической волны ее назвали
24независимо от других фотонов. Это же означает, что0 волновой функцией - ? (пси - функция). Единственный
при регистрации слабых световых потоков должны способ «объяснения» этого явления - создание
наблюдаться флуктуации их интенсивности. Эти флуктуации математического формализма, который естественно должен
слабых потоков видимого света действительно наблюдались быть непротиворечив и как бы объяснять прохождение
С. И. Вавиловым. Наблюдения проводились визуально. электрона через две щели. В его основе - каждой частице
Глаз, адаптированный к темноте, обладает довольно поставлена в соответствие некоторая комплексная функция
резким порогом зрительного ощущения, т. е. воспринимает . В связи с тем, что нельзя указать через какую щель
свет, интенсивность которого не меньше некоторого проходит электрон, понятие траектории теряет смысл. 63.
порога. Для света с ? = 525 нм порог зрительного 64?X - неопределенность значений координаты; ?px -5
ощущения соответствует у разных людей примерно 100 — неопределенность значений импульса. Соотношение
400 фотонам, падающим на сетчатку за 1 с. С. И. Вавилов неопределенностей. В.Гейзенберг, учитывая волновые
наблюдал периодически повторяющиеся вспышки света свойства микрочастиц, показал, что объект микромира
одинаковой длительности. С уменьшением светового потока невозможно одновременно с любой наперед заданной
некоторые вспышки уже не воспринимались глазом, причем точностью характеризовать классически, то есть
чем слабее становился световой поток, тем больше было координатой и проекцией импульса на соответствующую
пропусков вспышек. Это объясняется флуктуациями ось. Соотношения неопределенностей имеют вид: 64.
интенсивности света, т. е. число фотонов оказывалось по 650
случайным причинам меньше порогового значения. Таким 660
образом, опыт Вавилова явился наглядным подтверждением 670
квантовых свойств света. 68Уравнения де Бройля. Поскольку6
25ВАВИЛОВ Сергей Иванович Родился 24 марта 1891 г.,0 корпускулярно-волновой дуализм имеет место для света
Москва. умер 25 января 1951 г., Москва. физик, (электромагнитного излучения), то он имеет место и для
специалист в области оптики. Член-корреспондент по микрочастиц, поэтому микрочастицы обладают
Отделению математических и естественных наук с 31 корпускулярно-волновым дуализмом. Каждой микрочастице
января 1931 г., академик по Отделению математических и соответствует волна, характеризующаяся частотой
естественных наук (физика, оптика, люминесценция) с 29 колебания ? и длиной волны ? - вследствие этого
марта 1932 г., президент с 17 июля 1945 г. по 25 января движение микрочастиц является волновым движением. Эти
1951 г. соотношения, выражающие связь между корпускулярными и
2619.5. Масса и импульс фотона Согласно гипотезе0 волновыми свойствами микрочастиц, называются
световых квантов Эйнштейна, свет испускается, уравнениями де Бройля. 68.
поглощается и распространяется дискретными порциями 69Луи де Бройль Louis Victor Pierre Raymond duc de7
(квантами), названными фотонами. Энергия фотона ?0 = Broglie 15.08.1892 – 19.08.1987. 7-й герцог Брольи.
hv. Его масса находится из закона взаимосвязи массы и французский физик Родился в Дьеппе, Франция (Dieppe,
энергии: m? = hv/c2 (19.5.1) Фотон — элементарная France) Умер в Париже, Фраеция (Paris, France). 69.
частица, которая всегда (в любой среде!) движется со 70?E - неопределенность значений энергии; ?t -7
скоростью света с и имеет массу покоя, равную нулю. неопределенность определения времени. Определение
Следовательно, масса фотона отличается от массы таких энергии с точностью ?E должно занять интервал времени,
элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, равный по меньшей мере: Канонически сопряженные
которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут величины. Энергия и время являются канонически
находиться в состоянии покоя. Импульс фотона р? сопряженными величинами. 70.
получим, если в общей формуле теории относительности 71Вернер Гейзенберг Werner Karl Heisenberg 05.12.19016
положим массу покоя фотона т0? = 0: p? = ?0/c = hv/c – 01.02.1976. немецкий физик Родился в Вюрцбурге,
(19.5.2). Германия (W?rzburg, Deutschland) Умер в Мюнхене,
27Из приведенных рассуждений следует, что фотон, как0 Германия (M?nchen, Deutschland) The Nobel Prize in
и любая другая частица, характеризуется энергией, Physics 1932. 71.
массой и импульсом. Выражения (19.5.1), (19.5.2) и ?0 = 72Волновые свойства частиц. Для фотона. Гипотеза Де0
h? связывают корпускулярные характеристики фотона — Бройля для частиц. 72.
массу, импульс и энергию — с волновой характеристикой 73интерференцию электронов на двух щелях удалось0
света — его частотой v. Если фотоны обладают импульсом, зафиксировать на фотопластинке в эксперименте,
то свет, падающий на тело, должен оказывать на него выполненном К. Йенссоном в 1961 г. 73.
давление. С точки зрения квантовой теории, давление 74Интерференционная картина от двух щелей в случае0
света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон электронов; Интерференционная картина от двух щелей в
при соударении с поверхностью передает ей свой импульс. случае света. 74.
Рассчитаем с точки зрения квантовой теории световое 75Принцип неопределенности. 1927, Вернер Гейзенберг.0
давление, оказываемое на поверхность тела потоком 75.
монохроматического излучения (частота v), падающего 760
перпендикулярно поверхности. Если в единицу времени на
76 «Фотоэлектрический эффект» | Фотоэлектрический эффект 278
http://900igr.net/fotografii/fizika/Fotoelektricheskij-effekt/Fotoelektricheskij-effekt.html
cсылка на страницу
Урок

Физика

133 темы
Фото
Презентация: Фотоэлектрический эффект | Тема: Фотоэффект | Урок: Физика | Вид: Фото
900igr.net > Презентации по физике > Фотоэффект > Фотоэлектрический эффект