Фотоэффект. Применение фотоэффекта

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИКИ, МАТЕМАТИКИ, ИНФОРМАТИКИ

 

Кафедра общей физики

 

 

 

 

Курсовая работа

 

Фотоэффект. Применение фотоэффекта

 

 

 

 

Выполнила:

студентка 311 группы ФФМФ

                                                                                   Костина Ольга Евгеньевна

 

 

Научный руководитель:

Доц. каф. общ. физики,

канд. физ.-мат. наук

Вервейко Марина Валентиновна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курск 2012

 

Содержание:

 

 

Введение…………………………………………………………………3

Глава 1. Определение фотоэффекта…………………………………....5

Глава 2. Виды фотоэффекта……………………………………………15

Глава 3. Применение фотоэффекта……………………………………21

Заключение…………………………………………………………...…27

Литература………………………………………………………………28 

Введение

 

Среди разнообразных явлений в которых проявляется воздействие света на вещество важное место занимает фотоэлектрический эффект.

В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изучении этого замечательного явления, открытого Г. Герцем и тщательно исследованного выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым.

На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты света. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности

Все попытки объяснить и проанализировать явление фотоэффекта на основе законов электродинамики Максвелла, согласно которым свет—это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались безрезультатными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает электроны, привели к представлению о световых квантах и сыграли чрезвычайно важнейшую роль в развитии современных теоретических представлений. Поведения всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света.

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идеи Планка, о прерывистом испускании света, а уравнение Эйнштейна, несмотря на свою простоту, объясняет основные закономерности фотоэффекта. И за это Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Тем не менее, в замечательных опытах С. И. Вавилова было установлено, что человеческий глаз, этот тончайший из “приборов”, способный реагировать на различие освещенности,   измеряемые  единичными квантами. Поэтому ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потоке частиц. Может показаться, что это возврат к корпускулярной теории Ньютона. Однако нельзя забывать, что интерференция и дифракция света вполне определенно говорят о наличии у света волновых свойств. Свет обладает своеобразным дуализмом (двойственностью) свойств. При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) — корпускулярные. Все это, конечно, странно и непривычно. Мы не в состоянии представить себе наглядно, как же это может быть. Но, тем не менее, это факт. Мы лишены возможности представлять себе наглядно в полной мере процессы в микромире, так как они, совершенно отличны от тех макроскопических явлений, которые люди наблюдали на протяжении миллионов лет и основные законы которых были сформулированы к концу XIX века.

 

Глава 1. Определение фотоэффекта

 

В 1887 г. Герц, проводивший опыты по передаче открытых им незадолго до того электромагнитных волн, заметил, что индуцируемая искра проскакивала легче, когда искровой промежуток не был ничем заслонен  от  индуцирующей  искры.

Это оказалось замечательным открытием Герца. Сделать его было непросто, так как было множество других факторов, которыми можно было объяснить этот, в конечном счете, лишь незначительный эффект. Чтобы выяснить, вызывается ли он светом, Герц поместил между обоими искровыми промежутками непрозрачный экран и убедился в том, что индуцируемая искра оказалась явно слабее. Тогда он взял кусок стекла и получил тот же аффект. Герц был озадачен, пока не сообразил, что стекло пропускает только видимый спектр. Когда он взял кварц, который пропускает ультрафиолетовые лучи, индуцированная искра не ослаблялась. Таким образом, наблюдаемый эффект вызывался ультрафиолетовым излучением, идущим от индуцирующей искры. Сегодня можно продемонстрировать этот эффект более четко, направив прямо на искровой промежуток ультрафиолетовые лучи.

Все эти явления на самом деле, однако, не создавали серьезных затруднений для классической физики. Они были не более необычными, чем, например, отрытое Фарадеем магнитное вращение плоскости поляризации света. Можно было надеяться найти им объяснение в рамках классической физики.

Но вот следующее явление было более загадочным. В 1888 г. Гальвакс (1859—1922) обнаружил, что ультрафиолетовые лучи разряжают отрицательно заряженный электроскоп, тогда как с положительно заряженным электроскопом при этом ничего не происходило (рис.1). Почему существовала такая разница?

Потом  было обнаружено, что при работе одной из электродуговых установок, на второй установке разряд происходил при меньшем напряжении, чем при выключенной первой.  Из этого был сделан вывод, что свет от дуги действует на характер возникновения разряда на втором приборе. Потом был поставлен ряд опытов и выяснено, что свет от первой дуги действует только на отрицательный электрод второй дуги и не действует на  положительный. 

 

   Опыт с облучением светом  электрической дуги отрицательно  заряженной цинковой пластины, соединенной с электроскопом,  показал, что при этом стрелка электроскопа опускается, что говорит об исчезновении (нейтрализации) отрицательного заряда.

При положительно заряженной пластине нейтрализации заряда не происходит.

Рис. 1. 

 

Это явление впоследствии получило название фотоэффекта.

 

Фотоэлектрический эффект обнаруживают почти все вещества, даже такие, как лед и вода, если их облучать ультрафиолетовыми лучами.

 

 

 

 

 

Законы Столетова

 

Впервые (1888–1890), подробно анализируя явление фотоэффекта, русский физик А.Г. Столетов получил принципиально важные результаты.

Для исследования фотоэффекта Столетов собирал следующую схему (рис.1).

 

Рис. 1. Схема Столетова

 

           На схеме металлическая пластинка «К» (фотокатод) соединена с отрицательным полюсом батареи.

Положительный полюс через гальванометр соединен с металлической сеткой «А» (анод). Оба электрода находятся в стеклянном сосуде, из которого откачивается воздух. При освещении катода (пластины К) светом в цепи возникает ток, который регистрировался гальванометром. Этот ток получил название фотоэлектрического тока (или фототока), а электроны, вырываемые светом из катода, – фотоэлектронами. Фототок представляет собой движение к аноду электронов, вышедших из катода световым потоком.

На (рис. 2.а) дана вольтамперная характеристика фототока (т.е. зависимость величины тока от разности потенциалов между анодом и катодом при неизменном световом потоке Ф).

 

 

 

 

 

 

 

Из графика на (рис. 2.а) видно, что при некотором напряжении «U» величина фототока достигает максимального значения и далее остается постоянной при любых значениях. Это значит, что все электроны, вырываемые светом из фотокатода, достигают анода.

Максимальный ток называется током насыщения при данном световом потоке Ф. Если изменять величину светового потока «Ф», то получим семейство кривых для данного фотокатода (рис.  2.б)

Путем обобщения полученных результатов были установлены следующие закономерности фотоэффекта:

1. При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.
2. Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.
3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждого металла величины , называемой красной границей.

Первую закономерность фотоэффекта, а также возникновение самого фотоэффекта легко объяснить, исходя из законов классической физики. Действительно, световое поле, воздействуя на электроны внутри металла, возбуждает их колебания. Амплитуда вынужденных колебаний может достичь такого значения, при котором электроны покидают металл; тогда и наблюдается фотоэффект.

Ввиду того, что согласно классической теории интенсивность света прямо пропорциональна квадрату электрического вектора, число вырванных электронов растет с увеличением интенсивности света.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика

 

Изучая зависимость фототока (рис. 3), возникающего при облучении металла потоком монохроматического света, от разности потенциалов между электродами (такая зависимость обычно называется вольт – амперной характеристикой фототока), установили, что: 1) фототок возникает не только при , но и при ; 2) фототок отличен от нуля до строго определенного для данного металла отрицательного значения разности потенциалов , так называемого задерживающего потенциала; 3) величина запирающего (задерживающего) потенциала не зависит от интенсивности падающего света; 4) фототок растет с уменьшением абсолютного значения задерживающего потенциала; 5) величина фототока растет с ростом и с какого-то определенного значения фототок (так называемый ток насыщения) становится постоянным; 6) величина тока насыщения растет с увеличением интенсивности падающего света; 7) величина задерживающего потенциала зависит от частоты падающего света; фототока; 8) скорость вырванных под действием света электронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты.

 

 

Уравнение Эйнштейна

 

Явление фотоэффекта и все его закономерности хорошо объясняются с помощью квантовой теории света, что подтверждает квантовую природу света.

Как уже было отмечено, Эйнштейн (1905 г.), развивая квантовую теорию Планка, выдвинул идею, согласно которой не только излучение и поглощение, но и распространение света происходит порциями (квантами), энергия и импульс которых:

 

  ,

   

,

 

где – единичный вектор, направленный по волновому вектору. Применяя к явлению фотоэффекта в металлах закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу:

 

                                              

,                                     (1)

 

где - работа выхода электрона из металла, – скорость фотоэлектрона. Согласно Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном, причем часть энергии падающего фотона тратится на совершение работы выхода электрона металла, оставшаяся же часть сообщает электрону кинетическую энергию .

Как следует из (1), фотоэффект в металлах может возникнуть только при , в противном случае энергия фотона будет недостаточной для вырывания электрона из металла. Наименьшая частота света , под действием которого происходит фотоэффект, определяется, очевидно, из условия

 

,

 

откуда

 

                                             

,                                              (2)

 

Частота света, определяемая условием (2), называется «красной границей» фотоэффекта. Слово «красная» не имеет никакого отношения к цвету света, при котором происходит фотоэффект. В зависимости от рода металлов «красная граница» фотоэффекта может соответствовать красному, желтому, фиолетовому, ультрафиолетовому свету и т. д.

С помощью формулы Эйнштейна можно объяснить и другие закономерности фотоэффекта.

Положим, что , т. е. между анодом и катодом существует тормозящий потенциал. Если кинетическая энергия электронов достаточна, то они, преодолев тормозящее поле, создают фототок. В фототоке участвуют те электроны, для которых удовлетворяется условие . Величина задерживающего потенциала определяется из условия

                                   

,                                    (3)

 

где – максимальная скорость вырванных электронов.

Подставив (3) в (1), получим

 

,

 

откуда

 

.

 

Таким образом, величина задерживающего потенциала не зависит от интенсивности, а зависит только от частоты падающего света.