5.1.3 Фотоэффект. Опыты А.Г. Столетова. Законы фотоэффекта
Видеоурок 1: Фотоэффект – разрядка светом
Видеоурок 2: Фотоэффект
Лекция: Фотоэффект. Опыты А.Г. Столетова. Законы фотоэффекта
Основным подтверждением корпускулярной природы света является фотоэффект. Этот процесс характеризуется выбиванием электронов, находящихся в поверхностных атомах вещества, под действием света. Данный процесс был открыт в конце 19 века при изучении электромагнитных явлений Г. Герцем. Несмотря на то, что явление было открыто Герцем, объяснил его советский физик А.Г. Столетов.
Опыты Столетова
Для изучения данного процесса Столетов использовал фотоэлемент, схема которого и его цепь рассмотрена ниже.
Для данного эксперимента ученый взял колбу из стекла, из которой полностью откачал воздух. Таким образом, он исключил все свободные атомы, способные помешать электронам двигаться. В колбу вывели электроды, подключенные к источнику напряжения. Поэтому на одном из них был положительный заряд (К), а на втором отрицательный (А).
При этом к трубке был подведен ультрафиолет, который освещал катод. В результате действия света на катод, с него начали выбиваться электроны. Под действием разности потенциалов электроны начали свое движение в направлении анода. Так как напряжение способствовало направленному движению электронов, то в цепи появился ток. Данный ток получил название фототока, а частицы, вылетевшие с поверхности катода — фотоэлектронами.
Напряжение и фототок
Логично предположить, что в результате уменьшения напряжения на электродах, частицы начнут двигаться медленнее, что приведет к уменьшению фототока в колбе.
Если продолжать уменьшать напряжение в цепи, и в конечном итоге поменять полярность, то электроны начнут двигаться в противоположном направлении. Это напряжение называется запирающим.
Скорость движения электронов напрямую зависит от напряжения, поэтому была выведена следующая формула данной зависимости:
Запирающее напряжение позволяет определить, какую максимальную скорость может развить электрон.
Законы фотоэффекта
1. Скорость, которую способен развить электрон, пропорциональна той интенсивности, с которой действует свет на катод.
Это значит, что частота света напрямую влияет на скорость движения.
На графике можно увидеть, что движение электронов начинается только при достижении света определенной начальной частоты. Эта частота называется красной границей. Если частота излучения меньше красной границы, то фотоэффект не происходит, а значит, фототок равен нулю.
2. Скорость движение фотоэлектронов зависит только от частоты света, и увеличивается в результате её увеличения. При этом она не зависит от интенсивности света.
3. Каждое вещество обладает своей красной границей. Данный закон объясняется различными атомными силами, которые сдерживают электроны на внешних электронных оболочках. Величину красной границы для каждого элемента определяют в таблицах.
Источник
Экспериментальная установка позволяющая вывести основные законы фотоэффекта
- Главная
- Список секций
- Физика
- Разработка демонстрационной установки для изучения явления фотоэффекта на базе школы
Разработка демонстрационной установки для изучения явления фотоэффекта на базе школы
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Использование аккумуляторов и батареек приносит большой вред экологии. Но что бы исправить экологическую ситуацию, необходимо находить альтернативные источники энергии, которые будут безопасны для окружающей среды. Не иссекаемый поток энергии — Солнце. Современные учёные уже давно научились преобразовывать солнечную энергию в электрическую с использованием фотоэлементов. Однако, в большинстве школ явление фотоэффекта подробно не изучается. В первую очередь это связано с отсутствием наглядного демонстрационного оборудования. Изучив литературу и интернет, мы пришли к выводу, что отсутствие оборудования связано в большей степени с его дороговизной.
— изучить явления фотоэффекта;
— создать демонстрационную установку для наглядного изучения явления фотоэффекта.
Для достижения поставленных целей необходимо:
— изучить теоретические вопросы, а именно: понятие фотоэффекта, его открытие, основные законы и, виды фотоэлементов, а также их применение;
— на основании изученного материала экспериментально изучить явление фотоэффекта на созданной демонстрационной установке.
Теоретическая часть. Фотоэффект
Фотоэффект — процесс взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний (поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела) и внутренний (электроны, оставаясь в теле, изменяют в нем свое энергетическое состояние) фотоэффект.
Первым, кто наблюдал фотоэффект, был французский физик Александр Беккерель, в 1839 году. Томсон в 1898 году экспериментально установил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами). Поэтому увеличение фототока с ростом освещённости следует понимать, как увеличение числа выбитых электронов с ростом освещённости. В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов, опубликовавший 6 работ. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области.
Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:
А — работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества;
максимальная кинетическая энергия вылетающего электрона;
V — Частота падающего фотона с энергией h × v .
h — Постоянная планка, или основная константа квантовой теории, или коэффициент, связывающий величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой, так же как и вообще величину кванта энергии любой линейной колебательной физической системы с её частотой.
Внутренний фотоэффект — явление возрастания электропроводности и уменьшения сопротивления, вызванное облучением. Объясняется перераспределением электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений, проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде, приводит к возникновению фотопроводимости
Вентильный фотоэффект — явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит).
Фотовольтаический эффект — возникновение электродвижущей силы под действием электромагнитного излучения.
Сенсибилизированным фотоэффект — фотоэффект, сопровождающийся явлением сенсибилизации, то есть изменением величины и спектра фоточувствительности в широко зонных фотопроводниках органической и неорганической природы в зависимости от структуры молекулярных соединений.
Фотопьезоэлектрический эффект — явление появления в полупроводнике фотоэлектродвижущей силы в условиях внешнего неравномерного сжатия полупроводника.
Фотомагнитный эффект — возникновение электродвижущей силы в освещенном однородном полупроводнике в магнитном поле.
При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям, которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов (нейтронов и протонов) в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.
В сильном электромагнитном поле с атомом в элементарном акте фотоэффекта могут взаимодействовать несколько фотонов. В этом случае ионизация атома возможна с помощью излучения с энергией квантов h ν > E n .
Внешний фотоэффект — процесс взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний (поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела) и внутренний (электроны, оставаясь в теле, изменяют в нем свое энергетическое состояние) фотоэффект.
Законы внешнего фотоэффекта.
Первый закон фотоэффекта (закона Столетова): Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения .
Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его плотности.
Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта.
Объяснение этих законов было дано в 1905 году Альбертом Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией h ν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода A, покидает металл: h ν = A + W k — максимальная кинетическая энергия, которую имеет электрон при вылете из металла.
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. Представляет собой прибор двумя электродами – фотокатодом и анодом, помещёнными в вакуумированный или наполненный газом стеклянный баллон.
Принцип работы фотоэлемента.
Устройство представляет собой кварцевую или стеклянную колбу. С ее внутренней стороны нанесен светочувствительный слой щелочного металла (катод). Он контактирует с проводом, соединенным с отрицательным полюсом источника питания. В середине устройства расположен электрод, называемый анодом. Он соединен с положительным полюсом. Под воздействием света из катода вырываются электроны. В электромагнитном поле они устремляются к аноду, создавая в цепи ток. Принцип работы фотоэлемента представлен на рисунке 1
Рисунок 1. Принцип работы фотоэлемента.
Фоторезистор — полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра. Изображение фоторезистора, а также его схематическое изображение представлено на рисунке 2
Рисунок 2. Фоторезистор. Изображение Фоторезистора на схеме.
Фотодиод (Рисунок 3). Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Может работать в двух режимах: Фотогальванический, без внешнего напряжения и фотодиодный, с внешним обратным напряжением
Рисунок 3. Фотодиод. Изображение фотодиода на схеме.
Рисунок 4. Фототранзистор. Изображение фототранзистора на схеме.
Фототранзистор (Рисунок 4): Выходные характеристики фототранзистора подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но теперь положение характеристик определяется не током базы, а уровнем освещенности (или величиной светового потока). Обеспечивает усиление фототока. Изображение на схеме (Рисунок 7 Приложения).
Солнечная батарея — объединение фотоэлектрических преобразователей — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя, соединены в виде массива элементов и заключены в металлическую конструкцию.
Преобразователи — полупроводниковые элементы из кремния для генерации постоянного тока.
Они производятся трех видов:
КПД этих пластин 12–14%. Однако, они чувствительны к количеству попадающего света. Срок службы до 30 лет.
Поликристаллические пластины. Эти элементы способны выдавать КПД 7–9%. Но на них не влияет качество освещенности. Эксплуатационный период — 20 лет.
Амфорные пластины изготавливаются на основе гибкого кремния. Вырабатывают КПД около 10%. Количество производимого электричества не снижается из-за качества погоды. Но дорогое и сложное производство делает их труднодоступными.
Изображение солнечной батареи на схеме представлено на рисунке 5
Рисунок 5. Солнечная батарея на схеме.
Принцип работы устройства основан на фотоэлектрическом эффекте. Солнечный свет, падая на фотоэлементы, выбивает свободные электроны с последних орбит каждого атома кремниевой пластины. Перемещение большого количества свободных электронов между электродами батареи вырабатывают постоянный ток.
Для разработки установки демонстрации явления фотоэффекта, а также изучения данного явления были проведены ряд экспериментов, описание которых представлены ниже. При выборе материалов и источников световых потоков были и ряды неудачных экспериментов. В результате проведенной работы подобраны материалы и собрана установка, схема которой представлена на рисунке 6. Основные составляющие установки: ламповая гирлянда (светодиодная гирлянда, светодиодный фонарь), штатив, солнечная батарея, мультиметр. Для снижения погрешности измерения все снятия показаний значений проводились 10 раз.
Рисунок 6. Схема установки для демонстрации фотоэффекта
Эксперимент «Зависимость фотоэффекта от длины волны».
Для наблюдения зависимости явления фотоэффекта от длины волны светового потока была разработана методика, которая описана ниже. В ходе эксперимента получили данные, приведенные в таблицах 1,2,3.
Выбрав нужный цвет лампочки, установить гирлянду в кожухе на штативе; 2. Отрегулировать высоту расположения лампочки (все измерения проводилось на высоте 5 см от фотоэлемента). 3. Произвести измерения силы тока; 4. Произвести измерения напряжения; 5. Произвести измерение температуры; 6. Записать данные в таблицу; 7. Поменять лампу
Таблица 1. Светодиодная гирлянда, красный свет.
Источник
