Фотоэффект
план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

МБОУ «Васильевская средняя общеобразовательная школа №2» ЗМР РТ

        Урок по физике на тему: «Фотоэффект».

        11 класс.

        Учитель физики: Суханаева О.А.

        2013 г.

Цель урока: Рассмотреть понятие и физический смысл явления фотоэффект;   разобрать  законы фотоэффекта и типовые задачи с их использованием.

Тип урока: комбинированный.

1.Актуализация опорных знаний:  

Что такое электромагнитная волна?

В чём заключается смысл квантовой гипотезы Планка?

Что такое  абсолютно чёрное тело?

Что такое фотон и чем он обладает?

2.Объяснение нового материала:

Опыты Столетова.

Если электромагнитная волна состоит из отдельных квантов (фотонов) ,то поглощение и излучение света происходит прерывно :фотоны передают всю свою энергию атомам и молекулам вещества целиком. Ещё одним подтверждением правильности квантовой теории было объяснение Альбертом Эйнштейном в 1905 году явления фотоэффекта. Фотоэффект –явление вырывания электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт в 1887 г. Генрихом Герцем ,а затем исследовался экспериментально русским учёным А.Г.Столетовым ,немецкими физиками В.Гальваксом ,Ф.Ленардом  и итальянским учёным А.Риви. Схема для исследования фотоэффекта состоит из вакуумной трубки ,в которую помещены два электрода –катод из исследуемого металла и анод (в схеме Столетова применялась металлическая сетка ),подключенные к источнику напряжения ;вольтметра и гальванометра. Без  освещения катода тока в цепи нет ,так как в вакуумном промежутке между катодом и анодом нет носителей заряда. При освещении электроны ,вырываемые светом  из катода ,под действием электрического поля притягиваются к положительно заряженному аноду. Возникающий в цепи электрический ток называют фототоком ,а вырванные электроны –фотоэлектронами. Фототок возникает даже в отсутствие разности потенциалов между анодом и катодом за счёт кинетической энергии фотоэлектронов, достигающих анода.

При малых напряжениях не все фотоэлектроны достигают  анода. С увеличением разности потенциалов  между анодом и катодом сила тока нарастает. При некотором напряжении она достигает максимального значения ,называемого фототоком насыщения. Если изменить полярность источника напряжения ,то сила тока уменьшится и при некотором задерживающем напряжении она станет равной нулю. В этом случае  электрическое поле тормозит фотоэлектроны до полной остановки ,а затем возвращает их на катод.

Законы и квантовая теория фотоэффекта.

Законы фотоэффекта:1. Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света ,падающего на катод.2.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.3.Для каждого вещества существует минимальная частота света ,называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен.

Эти законы невозможно объяснить с помощью волновой теории света. Явление  фотоэффекта и его законы были объяснены на основе предложенной Эйнштейном квантовой теории света. Согласно этой теории , распространение  света следует рассматривать не как непрерывный волновой процесс ,а как поток дискретных световых квантов –фотонов с энергией hv. Каждый фотон поглощается целиком только одним электроном. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов ,а стало быть ,и фототок насыщения пропорциональны интенсивности света (первый закон фотоэффекта ). Объяснить второй и третий законы фотоэффекта Эйнштейну удалось с помощью закона сохранения энергии. Энергию связи электрона в металле характеризуют работой выхода Авых. Работа выхода – минимальная работа ,которую нужно совершить для удаления электрона из металла. Значение работы выхода для некоторых металлов приведены в таблице :

Энергия фотона идёт на совершение работы выхода и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии

hv=Aвых+me Ѵ2/2    -это уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты света линейно (второй закон фотоэффекта ):

Ek=me2/2=h(v- Aвых/h) . Кинетическая энергия всегда положительна. Это значит, что фотоэффект будет наблюдаться для частот vAвых/h. Предельная частота vmin определяет красную границу фотоэффекта ,ниже которой фотоэффект невозможен (третий закон фотоэффекта ):vmin=Aвых/h.

Фотоэффект нашёл широкое применение в технике. Вакуумные фотоэлементы используются в турникетах метро ,системах аварийной и защитной сигнализации ,военной технике ,системах связи и т.д.

3.Закрепление пройденного (решение задач) :

1) В вакууме находятся два покрытых кальцием электрода ,к которым подключен  конденсатор ёмкостью С. При длительном освещении катода светом с частотой v=1015Гц фототок ,возникающий вначале ,прекращается ,а на конденсаторе появляется заряд q=11*10-9Кл. Работа выхода электронов из кальция Авых=4,42*10-19Дж. Определите ёмкость конденсатора С.

Решение:   hv=Aвых+ЕK     ;     EK=qe*Uз   .  Так как фототок прекращается из-за конденсатора ,то задерживающее напряжение равно напряжению на конденсаторе U=q/C=Uз  ;    Uз=(hv-Aвых)/qe=1,3625 В.    С=q/Uз=8,07*10-9Ф.

2)Фотокатод ,покрытый кальцием (работа выхода равна 4,42*10-19Дж) ,    освещается  светом с длиной волны     λ=300 нм. Вылетевшие из катода электроны попадают в однородное магнитное поле с индукцией В=8,3*10-4 Тл перпендикулярно линиям индукции этого поля. Каков максимальный радиус окружности R ,по которой движутся  электроны?

Решение : Из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта найдём кинетическую энергию и скорость электрона: Ек=hc/λ – Авых=2,18*10-19Дж

Ѵ=к/mе =0,69*106м/с.   На электрон  действует максимальная сила Лоренца :Fл=ВѴqе, так как Sin900=1 .

ВѴqе=mе aц=mе Ѵ2/R (электрон двигается по окружности ).

R=mе Ѵ/Вqе =4,7*10-3м.

Домашнее задание: учить формулы и определения.