Закон столетова для внешнего фотоэффекта

Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!

Физика — рефераты, конспекты, шпаргалки, лекции, семинары

Внешний фотоэффект. Законы Столетова. Закон Эйнштейна

При поглощении световой энергии телами часть энергии превращается в электрическую энергию, в результате чего в телах может возникать или электродвижущая сила, или электрический ток, или изменение электрического сопротивления тел.

Все явления такого рода получили название фотоэлектрического эффекта, или фотоэффекта. Явление фотоэффекта открыл Г. Герц 1887 г. и исследовал русский физик А.Г. Столетов. Правда, они изучали так называемый внешний фотоэлектрический эффект, при котором падающий свет выбивает с поверхности металла электроны.

Для наблюдения внешнего фотоэффекта и изучение его законов используют схему, изображенную на рис. 13.2. Металлическая пластинка Р (катод) подключена к отрицательному полюсу батареи Е, второй ее полюс соединен через реостат (потенциометр) К и гальванометр G с пластинкой N (анодом). Обе пластинки Р и N располагаются в баллон, из которого выкачан воздух, чтобы столкновения электронов с молекулами газа не искажали наблюдаемые явления, а также чтобы предотвратить окисление пластинок Р iN. Поскольку такое электрическая цепь разомкнет-не, тока в нем нет. При освещении пластинки Р через кварцевое окошко (кварцевое стекло прозрачное для оптического излучения) из нее высвобождаются электроны (фотоэлектроны), которые попадают в электрическое поле между Р и N. Напряжение между Р и N можно изменять перемещением ползунка реостата К. Если поле достаточно сильное и направлено так, что электроны перемещаются от Р до N, то выбиты электроны с пластинки Р достигнут пластинки N, и через гальванометр будет проходить фототок, определяемый числом электронов, достигающие пластинки N за единицу времени. При увеличении внешнего напряжения, приложенного к фотоэлемента, фототок возрастает и достигает при заданном освещении максимального значения Is, которое называют током насыщения. Ток насыщения Is — это такой фототок, когда все фотоэлектроны, выбитые светом с пластинки Р, доягнуть пластинки N. Зависимость силы электрического тока (фототока) от внешнего напряжения (вольт-амперная характеристика фототока) показано на рис. 13.3. Если внешнее напряжение приложено в обратном направлении (по сравнению с показанным на рис. 13.3), фототок уменьшается и при определенной напряжения Ur равна нулю. Исследование фотоэлектрических явлений привели О. Г. Столетова к установлению таких законов фотоэффекта:

1. Фототок насыщения Is (максимальное число электронов, высвобождающихся светом за 1 с) прямо пропорционален световому потоку, падающего на катод.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности и.

Проведенные исследования доказали, что для каждого металла существует минимальная частота (максимальная длина волны), при которой скорость фотоэлектрона равна нулю. Эту частоту (длину волны) называют красной чертой фотоэффекта. Свет, имеет частоту, меньшую красную черту для определенного металла, не может освобождать из него фотоэлектронов. В этом случае фототок в цепи не возникать при любой интенсивности падающего света. Для примера приведем значения красной черты для некоторых металлов: для Li — 500 нм, Na — 540 нм, К — 550 нм, Hg — 273,5 нм, Fe — 262 нм, A g — 261 нм, Au — 265 нм. Следовательно, независимо от интенсивности падающего света фотоэффект возникает только при определенном значении длины волны света, которая является менее красную черту для определенного металла, а число высвобожденных электронов при заданной длине волны определяется интенсивностью света.

Исходя из представлений волновой теории света, которая господствовала в XIX в. и рассматривала свет как непрерывный волновой процесс, эти особенности фотоэффекта нельзя объяснить. Если электромагнитная (световая) волна падает на металл, то амплитуда колебаний электрона должна быть пропорциональна амплитуде электрического вектора световой волны, а следовательно, и интенсивности падающего света, поскольку она пропорциональна квадрату амплитуды электрического вектора. Тогда при любой длине волны, если свет имеет достаточно большую интенсивность, можно ожидать высвобождения электронов из металла, и, как следствие, красной черты фотоэффекта не будет существовать. К тому же с точки зрения волновой теории кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от интенсивности света, так как с увеличением интенсивности электрона передается большая энергия. Тогда и скорость фотоэлектронов имеет увеличиваться с увеличением интенсивности падающего света, что противоречит закону Столетова.

Основываясь на гипотезе Планка о квантах, Эйнштейн 1905 выдвинул квантовую теорию фотоэффекта. В отличие от Планка, который считал, что свет излучается квантами и рассматривал этот факт как свойство излучающих систем, А. Эйнштейн распространил корпускулярные свойства непосредственно на излучение. Он предположил, что свет не только излучается, но и распространяется и поглощается отдельными неделимыми порциями — квантами. Кванты являются частицами с нулевой массой, движущихся в вакууме со скоростью 299 792 км / с. Впоследствии эти частицы получили название фотонов. Однако существование фотонов — квантов света — не следует из существования неделимых порций излучения.

Идея квантов была настолько необычной, что сам автор ее длительное время рассматривал кванты как вспомогательный математический метод. Поэтому неудивительно, что теория фотонов с ее парадоксальным сочетанием волновых и корпускулярных свойств света, исключающие друг друга, долгое время не имела признание. В 1912 p. в рекомендации, подписанном крупнейшими немецкими физиками, в том числе М. Планком, об избрании А. Эйнштейна к Прусской академии наук говорилось о гипотезе световых квантов: «То, что он в своих рассуждениях иногда выходит за пределы, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком сильно ставить ему в упрек. Не решившись пойти на риск, нельзя осуществить истинно нового, даже в самом точном естествознании »*.

Из теории фотонов следует, что свет не только поглощается и излучается неделимыми частицами, а в промежутке между излучением и поглощением состоит из неделимых частиц, которые несут тем большую энергию, чем больше частота электромагнитных колебаний. Энергия частиц (квантов) света — фотонов — пропорциональна частоте и для света определенной частоты (монохроматического) составляет определенную величину е0 = hv> д eh — постоянная Планка. Корпускулярная структура света оказывается во многих экспериментах. Особенно ярко и убедительно подтверждается существование фотонов явлениями фотоэлектрического эффекта. Исходя из того, что свет состоит из фотонов, энергия которых hv9 рассмотрим столкновение такого фотона с электроном в металле, во время которого он передает свою энергию электрону. Если эта энергия больше работу выхода электрона (?v> Авых), то электрон вылетит из металла. Если hv

worldofscience.ru

Закон столетова для внешнего фотоэффекта

А.Г. Столетов установил три закона фотоэффекта, не утратившие своего значения и в настоящее время. В современном виде законы внешнего фотоэффекта формулируются следующим образом:

I. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света(сила тока насыщения пропорциональна энергетической освещенности E_e катода).

II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны, в металле возникают колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл, – тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого электрона из металла должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, т.к. с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит II закону фотоэффекта. Т.к., по волновой теории, энергия, передаваемая электроном, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит III закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория фотоэффекта не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.

ens.tpu.ru

VI. Квантовая физика

Тестирование онлайн

Фотоэлектрический эффект

Фотоэффектом называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества. 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.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

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 электрона:

Законы внешнего фотоэффекта

Столетовым Александром Григорьевичем (1839 — 1896) экспериментально были установлены законы внешнего фотоэффекта.

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения — максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, — прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.

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.

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. Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

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.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового излучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

fizmat.by

I Закон внешнего фотоэффекта (закон Столетова).

Сила фототока насыщения ( т. е. количество электронов, испускаемых с катода в единицу времени ) пропорциональна световому потоку, падающему на металл ( Рис. 2).

где k – коэффициент пропорциональности, или чувствительности металла к фотоэффекту

Рис. 2. Зависимость фототоков насыщения ( I₁, I₂, I₃ ) от интенсивности световых потоков: Ф₁ > Ф₂ > Ф₃.Частота падающих световых потоков постоянна.

II закон фотоэффекта (закон Эйнштейна — Ленарда).

Если поменять местами полюса батареи источника ((К(+), А(-)), то между катодом (К) и анодом (А) возникает электрическое поле, которое тормозит движение электронов. При некотором запирающем значении обратного напряжения Uз фототок равен 0 ( Рис. 3 ).

Рис. 3. Зависимость фототоков насыщения для разных частот падающего света при постоянной интенсивности падающего света.

В этом случае электроны вылетающие с катода, даже с максимальной скоростью Vmax, не смогут пройти через запирающее поле.

Измерив значение запирающего напряжения Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию E_{k max} выбиваемых излучением электронов. При изменении интенсивности светового потока Ф, максимальная кинетическая энергия E_{k max} не изменяется, но если увеличить частоту электромагнитного излучения ( сменить видимый свет на ультрафиолетовый), то максимальная кинетическая энергия E_{k max} фотоэлектронов увеличится.

Начальная кинетическая энергия фотоэлектрона пропорциональна частоте падающего излучения и не зависит от его интенсивности.

где h постоянная Планка, v частота падающего света.

III закон внешнего фотоэффекта (Закон красной границы).

Если последовательно облучать катод различными монохроматическими излучениями, можно обнаружить, что с увеличением длины волны λ, энергия фотоэлектронов уменьшается и при некотором значении длины волны λ, внешний фотоэффект прекращается.

Наибольшее значение длины волны λ ( или наименьшее значение частоты v ) при которой внешний фотоэффект еще имеет место, называется красной границей фотоэффекта для данного вещества.

Для серебра λкр = 260нм

Для цезия λкр =>620 нм

2. Уравнение Энштейна и его применение к трем законам фотоэффекта.

В1905 году Энштейн дополнил теорию Планка предположив/, что свет, взаимодействуя с веществом, поглощается такими же элементарными порциями (квантами, фотонами), какими он по теории Планка и испускается.

Фотон – это частица, не обладающая массой покоя (m₀ =0), и движущаяся со скоростью, равной скорости света в вакууме (c=3·10 8 м/с).

Квант –- порция энергии фотона.

В основе уравнения Эйнштейна для фотоэффекта лежат три постулата:

1. Фотоны взаимодействуют с электронами атома вещества и полностью поглощаются ими.

2. Один фотон взаимодействует только с одним электроном.

3. Каждый поглощенный фотон освобождает один электрон. При этом энергия фотона «ħλ» расходуется на работу выхода «ē» с поверхности вещества А_вых и на сообщене ему кинетической энергии

ћ·ν = ћ· = — уравнение Эйнштейна

Эта энергия «ħν» -будет максимальной, если электроны отрываются от поверхности.

Применение уравнения к объяснению трех законов фотоэффекта.

При увеличении интенсивности монохроматичного излучения растет число поглощенных металлом квантов, поэтому растет и число вылетающих из него электронов и растет сила фототока:

Из уравнения Эйнштейна:

, т.е. Е_{k max} фотоэлектрона зависит только от рода металла (А_вых.) и от частоты ν(λ) падающего излучения и не зависит от интенсивности излучения (Ф).

ħν А_вых – фотоэффект наблюдается, так как энергии фотона хватит и на работу выхода А_вых., и на сообщение ē кинетической энергии Е_{к max}.

ħν=А_вых – граница фотоэффекта при которой

и энергии фотона хватает только на выход ē с поверхности металла.

В этом случае уравнение Эйнштейна имеет вид:

studfiles.net

Законы Столетова;

1. Сила фототока насыщения пропорциональна электрической освещенности:

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте излучения, вызывающего фотоэффект и не зависит от интенсивности света:

’

где а – универсальный коэффициент пропорциональности не зависящий от вещества,

b – константа, зависящая от природы катода.

3. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν₀ света (или max λ) при которой еще наблюдается фотоэффект.

Волновая теория оказалась бессильной объяснить закономерности фотоэффекта. Все её предсказания не согласуются с экспериментом.

Объяснение законов фотоэффекта было дано Эйнштейном в 1905г.

Он разработал фотонную теорию света, которая явилась дальнейшим развитием идеи Планка о дискретном характере излучателей света.

По Эйнштейну свет, частотой ν не только испускается, как это предлагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами). Эти кванты интерферируют, дифрагируют поглощаются как единое целое. Они получили названия фотоны (квант света). Каждый фотон с частотой ν обладает энергией:

Механизм фотоэффекта состоит в следующем: электрон, взаимодействуя с фотоном, поглощает его (фотон). Кинетическая энергия электрона увеличивается на величину энергии фотона hν. Передача энергии осуществляется мгновенно. Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии

уравнение Эйнштейна для

в случае «красной границы»

Внутренний фотоэффект– это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости или э.д.с.

В отличие от фотоэлемента с внешним фотоэффектом фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (их называют фотосопротивления) не обладают током насыщения, их чувствительность в сотни и тысячи раз больше, чем чувствительность фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

Вентильный фотоэффект – (фотогальванический) возникновение фото э.д.с. при освещении контакта двух разных полупроводников или п/п из металла.

Вентильный фотоэффект открывает возможности для преобразования солнечной энергии в электрическую ( электромобиль на солнечных батареях).

studopedia.su