Меню

Формула запирающего напряжения электронов



Формула запирающего напряжения электронов

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее – внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 5.2.1.

В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение , полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны . При неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока от приложенного напряжения. На рис. 5.2.2 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.

К удивлению ученых, величина оказалась независящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты света (рис. 5.2.3).

Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности.

Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта , т. е. наименьшая частота , при которой еще возможен внешний фотоэффект.

Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за , прямо пропорционально интенсивности света.

Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света .

Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям при взаимодействии с электромагнитной световой волной электрон должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели также было невозможно понять существование красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока и пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.

Читайте также:  Витая пара напряжение ethernet

Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.

Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта .

С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта. Общее число фотоэлектронов, покидающих за поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала от частоты (рис. 5.2.3), равен отношению постоянной Планка к заряду электрона :

Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены в 1914 г. Р. Милликеном и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком. Эти измерения позволили также определить работу выхода :

где – скорость света, – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У большинства металлов работа выхода составляет несколько электрон-вольт (). В квантовой физике электрон-вольт часто используется в качестве энергетической единицы измерения. Значение постоянной Планка, выраженное в электрон–вольтах в секунду, равно

.

Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные элементы. Например, у натрия , что соответствует красной границе фотоэффекта . Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах , предназначенных для регистрации видимого света.

Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов .

Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах – корпускулах.

Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма . Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком, и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.

Читайте также:  Преобразователи постоянного напряжения по построению

Источник

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

date image2014-02-09
views image26626

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от интенсивности света.

Законы Столетова для фотоэффекта

При положительном напряжении освещен катод

При отрицательном напряжении освещен анод

Запирающим напряжением Uз называется напряжение, при котором фотоэффект прекращается.

Запирающее напряжение Uз связано с максимальной кинетической энергией фотоэлектронов Ek(max) соотношением Ek(max) = Uзe

1. Сила фототока насыщения пропорциональна интенсивности света.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть наименьшая частота νmin, при которой возможен фотоэффект

Объяснение фотоэффекта проведено на основе квантовой гипотезы Планка

Энергия падающего фотона расходуется на преодоление работы выхода электрона из вещества и сообщение электронам кинетической энергии

Работа выхода электронов из металла равна минимальной энергии, которой должен обладать электрон для освобождения с поверхности вещества.

Существует внешний и внутренний фотоэффект .

1. Фотоэффект невозможен, если энергии падающего фотона недостаточно для преодоления работы выхода, hν

2. Если hνmin = Авых — порог фотоэффекта.

Частота и длина волны красной границы фотоэффекта:

Источник

Задание №21 ЕГЭ по физике

Содержание

Фотоэффект

Для удовлетворительного решения задания № 21 требуется понимать, в чем заключается явление фотоэффекта, и знать, какие физические величины его описывают и какие соотношения между ними существуют. Все необходимые для решения задания сведения содержатся в разделе теории. Дополнительно при анализе решения может потребоваться знание понятий и формул из других тем и разделов физики, например, понятие спектра, энергии фотона, кинетической энергии.

Теория к заданию № 21 ЕГЭ по физике

Понятие фотоэффекта

Фотоэффект – или фотоэлектрический эффект – это явление, заключающееся во взаимодействии вещества и света, приводящем к передаче атомам вещества (конкретно – электронам) энергии фотонов света, падающих на него.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения работает с перебоями

Фотоэффект в твердых и жидких веществах может быть внешним или внутренним. Внешний фотоэффект заключается в вылете электронов из атомов при поглощении фотонов. При внутреннем фотоэффекте вырванные из атомов электроны остаются в веществе, однако при этом изменяется величина их энергии. Фотоэффект в газах называется фотоионизацией и, по сути, представляет собой процесс, аналогичный внешнему фотоэффекту в жидкостях и твердых телах.

Законы фотоэффекта

В квантовой физике сформулировано 3 закона фотоэффекта.

I закон: Сила тока насыщения I н пропорциональна мощности падающего на поверхность вещества (тела) светового излучения.

II закон: Максимальная кинет.энергия

фотоэлектронов линейно зависит (возрастает) от изменения (возрастания) частоты света. От мощности его излучения кинетическая энергия не зависит.

III закон: Для любого вещества имеется красная граница (порог) фотоэффекта. Порогом является минимальная частота (или максимальная длина волны) светового потока, при которой фотоэффект еще возможен. При дальнейшем снижении величины частоты (или повышении длины волны) фотоэффект не происходит.

Работа выхода электрона

Работа выхода (А) – это количество энергии, необходимое для освобождения (испускания) электрона из твердого тела при фотоэффекте. Для того чтобы это произошло, электрон должен обладать кинетической энергией, большей А.

Поскольку при поглощении фотона твердым телом энергия электрона увеличивается на Е=hν, то условием его освобождения из вещества является равенство Е к=hν–А. Это выражение называется ур-нием Эйнштейна для фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна может быть найдена красная граница фотоэффекта:

Монохроматический свет

Монохроматический свет представляет собой излучение, осуществляющееся в диапазоне частот, которые воспринимаются человеческим глазом. На практике монохроматическое излучение может быть получено посредством призматических систем, газоразрядных ламп, лазера и др.

Запирающее напряжение

При подключении к освещаемому проводнику отрицательного полюса источника тока и постепенном повышении напряжения, сила тока сначала возрастает, а затем, достигнув определенного значения, перестает изменяться, поддерживая эту величину постоянной. Напряжение, при котором сила тока перестает увеличиваться, называется запирающим (обозн.: U зап). Максимально же достигнутое таким способом значение силы тока называют фототоком насыщения (обозн.: I н).

Источник