Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Законы фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Кванты света (фотоны).

Применение фотоэффекта в технике.

Фоторезистор (пример)

Фотоэлектрический эффект - явление вырывания электронов из вещества под действием электро­магнитных излучений (в том числе и света)

Фотоэффект открыт в 1887 г. Генрихом Герцем, а затем исследовался экспериментально русским ученым А.Г.Столетовым, немецкими физиками В.Гальваксом, Ф.Ленардом и итальянским ученым А.Риви.

Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний.

При внешнем фотоэффекте вырванные электроны покидают тело, а при внутреннем -остаются внутри него.

Необходимо отметить, что внутренний фотоэффект наблюдается только в полупроводниках и диэлектриках.

Остановимся только на внешнем фотоэффекте.

Анод А и катод К помеща­ются в баллон, в котором создаётся высокий ва­куум. Катод наносится на подложку или на поверхность баллона. Анод в виде кольца или диска из никеля располагается в центре. Такой прибор называется фотоэлементом.

Если баллон наполнен инертным газом, то прибор называется газонаполненным, если в нем глубокий вакуум, то вакуумным.

Если на фотоэлемент свет не падает, то ток в цепи отсутствует, и амперметр показывает ноль. При освещении его светом достаточно высокой часто­ты амперметр показывает, что в цепи течёт ток.

При включении прибора в цепь внешнего источника в ней протекает фототок Iф, зависящий от падающего на катод светового потока Ф и приложенного напряжения.

Вольт-амперная характеристика вакуумного фотоприбора с внешним фотоэффектом имеет зону насыщения, в которой изменение напряжения в широких пределах практически не влияет на фототек.

Световая характеристика Iф = (Ф) отражает зависимость фототока от светового потока, падающего на фотокатод.

Для вакуумных приборов, работающих при напряжении насыщения, световая характеристика практически линейна.

В газонаполненных приборах фототок с ростом светового потока увеличивается более интенсивно.

Таким образом, чувствительность газонаполненных приборов является переменной величиной и при достаточно большом диодном напряжении в 5-10 раз выше чувствительности вакуумных приборов.

Чувствительность фотоэлектронных приборов – мА/Лм

Законы внешнего фотоэффекта (первоначально установлены опытным путём):

1. Число электронов, вырываемых из вещества, пропорционально интенсивности света.
(Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на катод)

2. Наибольшая кинетическая энергия вылетающих электронов пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности.
(Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности)

З. Для каждого вещества существует минимальная частота света υ0, называемая красной границей фотоэф­фекта - ниже которой фотоэффект невозможен.

При частотах светового излучения ниже красной границы фотоэффекта фотоэлектронная эмиссия прекращается.

Фотокатод обладает различной чувствительностью к излучениям различной длины волны, что отражается его спектральной характеристикой.

Также установлена безиннерционность фотоэффекта – он возникает мгновенно после начала освещения при условии превышения красной границы.

Волновая теория света не в состоянии объяснить законы фотоэффекта.

Трудности в объяснении этих законов привели Эйнштейна к созданию квантовой теории света. Он пришёл к выводу, что свет представляет собой поток особых частиц, называемых фотонами (обозначается γ) или квантами.

Электромагнитная волна, по этой теории, состоит из отдельных порций – квантов(фотонов) с энергией hυ

Интенсивность света прямо пропорциональна числу фотонов Nф и энергии каждого из них hυ. Каждый фотон поглощается целиком только одним электроном. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов, а значит и фототок насыщения Iн, пропорциональны Nф, т.е. интенсивности света (первый закон фотоэффекта)

Энергия фотонов равна:

e = hn

n - частота cвeтa

h - постоянная Планка.

Известно, что для вырывания электрона ему надо сообщить минималь­ную энергию, называемую работой выхода электрона Aвых, зависящую от вещества.

Если энергия фотона больше или равна работе выхода, то электрон вырывается из вещества, т.е. происходит фотоэффект.

Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для удаления электрона из металла.

Вылетающие электроны имеют различ­ные кинетические энергии. Наибольшей энергией обладают электроны, вырываемые с поверхности вещества. Электроны же, вырванные из глуби­ны прежде, чем выйти на поверхность теряют часть своей энергии при соударениях с атомами вещества.

Найдем наибольшую кинетическую энергию Wkm, которую приобретает электрон, используя закон сохранения энер­гии:

Wkm = e - Aвых или  = e - Aвых

где m и vm – масса и наибольшая скорость электрона.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

энергия поглощённого фотона идет на совершение работы выхода электрона и сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии.

 e = Aвых + Wkm или hυ = Aвых +    .

Уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта.

Первый закон внешнего фотоэффекта

Пусть на вещество падает монохроматический свет. Согласно квантовой теории, интенсивность света пропорциональна энергии, которая перено­сится фотонами, т.е. пропорциональна числу фотонов. Поэтому с увеличе­нием интенсивности света увеличивается число фотонов, падающих на вещество, а следовательно, и число вырываемых электронов.

Второй закон внешнего фотоэффекта

Из формулы hυ = Aвых + следует, что наи­большая кинетическая энергия фотоэлектрона зависят от частоты v света и от работы выхода Aвых, но не зависит от интенсивности света.

Кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты света линейно:

Ek = = h (υ - )

Кинетическая энергия всегда положительна. Это значит, что фотоэффект будет наблюдаться для частот:

υ ≥

По углу наклона графика Ek(υ) можно экспериментально определить значение постоянной Планка h.

Совпадение значений постоянной Планка, выведенной в теориях теплового излучения и фотоэффекта, подтверждает правильность предположения о квантовом характере излучения и поглощения света веществом.

Третий закон внешнего фотоэффекта

Из уравнения фотоэффекты вытекает вывод, что внешний фотоэффект возможен, если hυ ³ Авых. Энергии фотона должно по крайней мере, хватить хотя бы на вырывание электрона без сообщения ему кинетической энергии.

Тогда красную границу υ0 фотоэффекта находим из условия:

hυ0 = Авых Þ υ0 =

Вакуумным фотоприборам с внешним фотоэффектом свойственна так называемая утомляемость - снижение чувствительности при длительном непрерывном освещении и нахождении под напряжением. Особенно сильно сказывается утомляемость в течение первых 100-150 ч работы.

Воздействие очень больших световых потоков на фотокатод, находящийся под напряжением, вызывает необратимое снижение его чувствительности и даже разрушение.

Фотоэффект используется в различных приборах для преобразования энергии света в энергию электрического тока или для управления электрическим током.

Простейшим прибором, работающим на основе фотоэффекта является вакуумный фотоэлемент. Фотоэлементы используются для воспроизведения звукового сопровождения, записанного на киноленту в виде звуковой дорожки.

ФОТОРЕЗИСТОР

ФОТОДИОД

ФОТОТРАНЗИСТОР

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

ОПЫТЫ СТОЛЕТОВА(уч.11кл.стр.314)

В вакуумной трубке помещены два электрода – катод из исследуемого материала и анод ( в схеме Столетова применялась металлическая сетка), подключенные к источнику напряжения.

Без освещения катода тока в цепи нет. При освещении электроны, вырываемые светом из катода, под действием электрического поля притягиваются к положительно заряженному аноду.

Возникающий в цепи ток называют фототоком, а вырванные из катода электроны – фотоэлектронами.

Небольшой фототок возникает даже при отсутствии разности потенциалов между анодом и катодом.

При малых напряжениях не все фотоэлектроны достигают анода.

С увеличением разности потенциалов между анодом и катодом все больше электронов достигают анода и сила фототока растет.

При некотором напряжении она достигает максимального значения, называемого фототоком насыщения Iн, и больше не увеличивается.

При этом все фотоэлектроны, покинувшие катод, достигают анода.

Если изменить полярность источника напряжения, то сила тока уменьшится и при некотором задерживающем напряжении –Uз станет равна нулю. В этом случае электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод.

УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ ФОТОЭФФЕКТА

См.выше «Фотоэффект»

ГИПОТЕЗА ЛУИ ДЕ БРОЙЛЯ(уч.11кл.стр.322)

Гипотеза Луи де Бройля

Длина волны де Бройля

Опыт Джозефа Томпсона по дифракции электронов (см.ниже)

В 1923 г. французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу, что корпускулярно-волновой дуализм является универсальным свойством любых материальных объектов, а не только света.

Любая микрочастица обладает помимо корпускулярных и волновыми свойствами. Это значит, что частица массой m, движущаяся со скоростью v, характеризуется не только координатами, импульсом p и энергией E, но и подобно фотону частотой υ и длиной волны λБ.

E = h υ , p = h/ λБ

Любой частице, обладающей импульсом p, соответствует длина волны де Бройля:

 λБ =    .

Волновые свойства макроскопических тел не наблюдаются на опыте из-за необычайно малой величины длины волны де Бройля.

Однако для электрона, движущегося в атоме со скоростью 2*106 м/с, длина волны де Бройля оказывается соизмеримой с размером атома:

λБ = ≈ 3.6*10-10м

ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ(уч.11кл.стр.322-323)

Гипотеза Луи де Бройля (см.выше)

Длина волны де Бройля(см.выше)

Опыт Джозефа Томпсона по дифракции электронов

Опыты Фабриканта, Бибермана и Сушкина по дифракции одиночных электронов

Наличие волновых свойств у микрочастиц означает, что можно наблюдать их интерференцию и дифракцию.

В 1927 г. волновые свойства электронов были обнаружены английским физиком Джозефом Томсоном в опытах по дифракции электронов при их прохождении сквозь золотую фольгу.

Картина дифракции электронов оказалась сходной с известной дифракционной картиной рентгеновского излучения.

Волновые свойства частиц не являются их коллективной характеристикой, а присущи каждой частице в отдельности.

В 1949 г. российские физики В.А.Фабрикант, Л.М.Биберман, Н.Г.Сушкин выполнили опыт по дифракции электронного пучка предельно малой интенсивности.

В эксперименте электроны следовали друг за другом с интервалом на четыре порядка превышающим время, за которое электрон попадает на фотопластину. Это значит, что каждый электрон дифрагировал независимо от других, подобно дифракции отдельных фотонов.

Дифракция одиночных электронов на щели оказывается абсолютно идентичной дифракции одиночных фотонов с длиной волны λ = λБ. Так же, как и для фотона, можно говорить лишь о вероятности попадания электрона в окрестности определенной точки. Дифракционная картина возникает потому, что вероятность попадания электрона в разные точки экрана не одинакова.

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ(уч.11кл.стр.318-321,323-325)

Корпускулярные и волновые свойства фотонов

Определение корпускулярно-волнового дуализма

Дифракция фотонов.

Опыт Джофри Тейлора по дифракции отдельных фотонов

Соотношение неопределенности Гейзенберга (уч.11кл.стр.323-325)

Распространение света в виде потока фотонов и квантовый характер взаимодействия света с веществом подтверждены многими экспериментами, доказывающими квантовые свойства света.

Однако оптические явления (поляризация, интерференция, дифракция) свидетельствуют о волновых свойствах света.

Для объединения волновой и корпускулярной теорий в физике возникло представление о корпускулярно-волновом дуализме, лежащее в основе всей современной физики.

Корпускулярно-волновой дуализм – проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.

Квант света – не волна, но и не корпускула. Фотоны – особые микрочастицы, энергия и импульс которых (в отличие от обычных материальных точек) выражаются через волновые характеристики – частоту и длину волны: E = hυ, p = h/λ

Дифракция отдельных фотонов

Дифракция и интерференция света объясняются наличием волновых свойств у каждого отдельного фотона. Это подтвердил опыт 1909 г. Джофри Тейлора по наблюдению дифракции поочередно летящих мимо иглы одиночных фотонов.

Интенсивность света в опыте была сильно понижена с помощью светофильтров. Ослабление интенсивности означает уменьшение числа падающих на щель фотонов.

В результате можно настолько уменьшить их число, что фотоны будут следовать друг за другом с интервалом времени, на несколько порядков превышающим время, за которое фотон попадает на фотопластину, помещенную за щелью на расстоянии L.

Благодаря этому фотоны не могут взаимодействовать (интерферировать) друг с другом, и налетают на щель поодиночке, попадая в ту или иную точку фотопластины.

Чем больше фотонов попадает в данную область, тем больше интенсивность света в ней.

Дифракционная картина на экране за щелью оказывается результатом статистического распределения отдельных фотонов.

Полученная в опыте зависимость интенсивности света от координаты полностью совпала к картиной распределения интенсивности света за щелью, описываемой волновой теорией.

Анализ дифракции одиночных фотонов на щели показывает, что движение фотонов принципиально отличается от движения классических частиц. Траекторию движения классической частицы (материальной точки) можно однозначно предсказать, зная ее начальную координату и скорость.

Заранее невозможно предсказать, в какую точку после дифракции на щели попадет фотон. Можно говорить лишь о вероятности попадания фотона в окрестность определенной точки.

Дифракционная картина за щелью возникает потому, что вероятность попадания фотона в разные точки экрана неодинакова.

При большой интенсивности света, когда число фотонов велико, свойства света хорошо объясняются волновой теорией. При малой интенсивности, малого числа фотонов, свойства света описываются квантовой теорией.

При падении на щель одиночных фотонов разной частоты на экране возникают вспышки разного цвета, соответствующего данной частоте, энергия которых пропорциональна частоте света.

Коэффициент пропорциональности между энергией и частотой – постоянная Планка h.

Соотношение неопределенности Гейзенберга

В классической механике, зная начальную координату и скорость (импульс) частицы, можно с помощью законов динамики Ньютона найти ее положение и скорость (импульс) в произвольный момент времени. Всякая частица движется по определенной траектории.

В микромире понятие определенной траектории не имеет смысла. Зная начальное состояние электрона, невозможно однозначно предсказать его будущее движение.

Корпускулярно-волновой дуализм частиц означает, что корпускулярные и волновые свойства неразделимы.

Координаты частицы характеризуют ее корпускулярные свойства, длина волны де Бройля и связанный с ней импульс характеризует волновые свойства частицы.

Область локализации частицы можно ограничить узкой щелью шириной a, на которую по оси X падает поток электронов с импульсом p.

При этом неточность измерения или неопределенность координаты y частицы Dy – a, так как точно неизвестно, через какую именно точку щели пролетает электрон.

Волновые свойства электрона характеризуются длиной волны де Бройля λБ = h/p

При дифракции на щели электрон изменяет направление своего движения, соответственно направление скорости и импульса. Возникает компонента импульса по оси Y:

py = p sin(α) = sin(α)

Для оценки py можно использовать угол α1, соответствующий первому дифракционному минимуму на щели: a sin(α1) = λ1

Следовательно : py =

Реально возможно попадание электрона в область дифракционных максимумов более высоких порядков, поэтому неточность измерения импульса, или неопределенность импульса Dpy может даже превосходить py:

Dpy ≥

Соотношение неопределенностей Гейзенберга:

Произведение неопределенности координаты частицы на неопределенность ее импульса не меньше постоянной Планка:

 DyDpy ≥ h  .

Пусть импульс частицы точно известен, т.е. Dpy = 0. Это значит, что точно известна и длина волны де Бройля λБ =h/p. Из соотношения неопределенностей следует:

Dy ≥ ® ¥

Дело в том, что длина волны точно определена лишь для гармонической волны постоянной амплитуды и бесконечной протяженности по оси Y. Это значит, что частицу можно обнаружить в любой точке пространства. Она не локализована Dy ® ¥.

С другой стороны, чем точнее определяется координата частицы, тем менее точным становятся сведения о ее импульсе.

Если Dy ® ¥, то Dpy ≥ ® ¥

Соотношение неопределенностей Гейзенберга позволяет оценивать минимальные энергии, которыми обладают микрочастицы при их локализации в определенной области пространства.

Соотношение неопределенностей существует и между другими парами физических величин. Например, между энергией частицы и временем ее измерения.

Кинетическая энергия частицы, движущейся по оси Y: Ey = mvy2/2

Неопределенность энергии: DEy = Dvy ≈ Dvy = mvyDy

Неопределенность импульса (py = mvy): Dpy = mDvy

Неопределенность координаты (y = vyt): Dy = vyDt

Подставляя Dp и Dy в соотношение неопределенностей:

mvyDvyDt ≥ h

Соотношение неопределенностей для энергии частицы и времени ее измерения:

 DEyDt ≥ h .

Физический смысл этого соотношения: чем меньше время Dt частица пребывает в некотором состоянии, тем менее определена ее энергия

DEy ≥

В стационарном состоянии, где время пребывания частицы стремится к бесконечности Dt®¥ , ее энергия вполне определена, так как DEy ® 0

Принципиальный вывод, следующий из соотношений неопределенности Гейзенберга:

Нельзя независимо рассматривать корпускулярные и волновые характеристики микрочастиц: они взаимосвязаны.

Одновременное точное определение положения и импульса частицы невозможно.

Этот вывод не согласуется с привычными представлениями классической механики об определенной координате и скорости (импульсе) частицы.

СПЕКТРЫ(уч.11кл.стр.336-339)

(см.выше «Постулаты Бора»)

Спектральный анализ

Линейчатые спектры

Спектр излучения

Спектр поглощения

Применение спектрального анализа

Атомы каждого химического элемента излучают определенные длины волн и имеют линейчатый спектр, характерный именно для этого элемента

Линейчатый спектр – спектр излучения, состоящий из отдельных узких спектральных линий различной интенсивности.

Линейчатые спектры элементов строго индивидуальны.

Определены эталоны и составлены таблицы спектров всех атомов.

Исследование линейчатого спектра позволяет определить, из каких химических элементов состоит изучаемое вещество и в каком количестве в нем содержится каждый элемент.

Спектральный анализ – метод определения химического состава и других характеристик вещества по его спектру.

Спектральный анализ имеет очень высокую чувствительность. Он позволяет определять химический состав удаленных объектов по излучаемому ими свету.

Спектральный анализ можно проводить и по спектру поглощения. Например, солнечная атмосфера избирательно поглощает свет, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.

Атмосфера Земли поглощает коротковолновое ультрафиолетовое (поглощает озоновый слой), рентгеновское, гамма-излучения.

Помимо химического состава, исследование спектров позволяет определить температуру, давление, скорость движения, напряженность электрического поля и индукция магнитного поля объектов.

ДОПОЛНИТЬ

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ(уч.11кл.стр.337-338)

Для излучения фотона атом должен обладать избыточной энергией по сравнению с энергией основного состояния, т.е. атомный электрон должен находиться в возбужденном состоянии.

Переход атома в возбужденное состояние возможен при сообщении ему энергии извне.

Тепловое излучение возникает при тепловых столкновениях атомов.

Кроме теплового излучения возможен еще один вид излучения – люминесценция (лат.luminis – свет)

Люминесцентные явления различаются механизмом возбуждения атомов.

Катодолюминесценция – возникает при бомбардировке атомов электронами

Фотолюминесценция – при облучении вещества видимым светом, рентгеновским или гамма -излучением

Хемилюминесценция – при химических реакциях

Флуоресценция – кратковременная люминесценция, заканчивающаяся через 10-8с после возбуждения

Фосфоресценция – длительная люминесценция

На явлении люминесценции основана работа люминесцентных ламп. Внутренняя поверхность этих ламп покрыта люминофором – веществом, в котором происходит люминесценция ( в лампах – фотолюминесценция, в электронных трубках – катодолюминесценция)

Опыты по фотолюминесценции впервые в России были проведены в 50-х годах ХХ в. С.И.Вавиловым.

ЛАЗЕРЫ(уч.11кл.стр.340-344)

Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения

История создания лазеров

Инверсная населенность

Метастабильное состояние

Принцип действия рубинового лазера

Основные особенности лазерного излучения

Применение лазеров

Рассмотрим возможные процессы взаимодействия атома с фотоном.

Энергия фотона hυ = E2 – E1 (энергии возбужденного и основного состояний атома)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43