Какие свойства света проявляются в фотоэффекте

Цель: изучение квантовой теории света
и световых явлений, объясняемых этой теорией.

Задачи:

• образовательные: раскрыть физическую
  сущность понятий: абсолютно черное тело,
  ультрафиолетовая катастрофа, квант, постоянная
  Планка, ввести понятие фотоэффект, познакомить
  учащихся с открытием явления и его
  исследованием, рассмотреть проблемы физики
  начала ХХI века;
• развивающие: развивать наблюдательность,
  умение логически мыслить, анализировать факты и
  явления на основе теоретических представлений,
  расширять познавательный интерес, формировать
  умение выделять признаки сходства и различия в
  описании физических явлений;
• воспитательные: способствовать расширению
  кругозора учащихся, воспитывать культуру
  общения, приобщать учащихся к достижениям
  отечественной науки;
• метапредметные: формировать умение
  воспринимать альтернативные точки зрения и
  высказывать обоснованные аргументы “за” и
  “против”, находить требуемую информацию в
  различных источниках, визуальную информацию
  переводить в вербальную знаковую систему.

План.

1. Зарождение квантовой теории.
2. Опыты Герца и Столетова.
3. Фотоэффект. Законы фотоэффекта.
4. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
5. Фотоны.
6. Давление света.
7. Применение фотоэффекта.
8. Химическое действие света. Фотография.
9. Единство волновых и квантовых свойств света.

Ход урока

I. Вступительное слово учителя

II. Устный журнал (показ слайдов
презентации сопровождается чтением
стихотворения).

Как только ясно стало всем,
Что Максвелл прав был не совсем,
Что уравнения его для микромира – ничего,
Все стали думать и гадать, предполагать,
опровергать.
У Планка думать был талант, он потому придумал
квант.
И даже дальше он пошел и постоянную нашел.
Герц, ставя опыты давно, открыл явление одно.
О нем он миру рассказал, “фотоэффект” названье
дал.
Столетов был ужасно рад и опытов поставил ряд.
Закона два открыл подряд. Какой чудесный
результат!
Эйнштейн свой вклад внести решил, фотоэффект он
объяснил.
Открытие прекрасное – его “граница красная”.
Тут начал Лебедев “чудить”, стал трудный опыт
проводить:
Подвесил лепестки на нить, увидел – может свет
давить.
Лишен покоя и заряда, фотон летает, где не надо,
И импульс свой теряет где-то – корпускулярны
свойства света…
Фотоэффект теперь везде, свет служит людям на
Земле.
Свет научились мы копить, кино вдруг стало
говорить.
Чудесен сколь фотоэффект, теперь уже “химичит”
свет.
Нам этот свет дает дышать, ведь листья могут
превращать
Газ углекислый в кислород, коль свет на листья
упадет.
Мы держим аппарат в руках. Щелк-щелк, и вы уже “в
веках”.
Мы дарим всем портреты, за то спасибо свету.

III. Сообщения учащихся

1. Зарождение квантовой теории

Противоречие между классической
электродинамикой Максвелла и закономерностями
распределения в спектре теплового излучения
(нагретое тело, непрерывно теряя энергию
вследствие излучения электромагнитных волн,
должно охладиться до абсолютного нуля, но в
действительности это не так)

Гипотеза Планка (Атомы испускают
электромагнитную энергию отдельными порциями –
квантами. Энергия каждой порции прямо
пропорциональна частоте излучения. Е = h, где h = 6,63 *
10 -34 Дж . с – постоянная Планка, –
частота излучения)

2. Фотоэффект. (Открыт Герцем.
Исследован Столетовым)

Фотоэффектом называют вырывание электронов из
вещества под действием света.

Опыты Герца и Столетова (Внешний фотоэффект:
заряженную цинковую пластину присоединяют к
электрометру, освещают кварцевой лампой; если
заряд пластины “+”, то освещение пластины не
влияет на быстроту разрядки электрометра, а если
“-”, то он быстро разряжается. Фотоэффект
вызывается ультрафиолетовым излучением.)

3. Законы Фотоэффекта.

Первый закон: количество электронов,
вырываемых с поверхности металла за 1 секунду,
прямо пропорционально поглощаемой за это время
энергией световой волны.

Второй закон: максимальная кинетическая
энергия фотоэлектронов линейно возрастает с
частотой света и не зависит от интенсивности
света.

(Объяснение по таблице)

По графику зависимости фототока от напряжения
дать понятие задерживающего напряжения и тока
насыщения.

mv2 /2 = eUз – максимальное значение
кинетической энергии электронов.

4. Объяснение фотоэффекта Эйнштейном.

Законы Максвелла не могут объяснить, почему
энергия фотоэлектронов определяется только
частотой света и почему лишь при малой длине
волны свет вырывает электроны. Свет имеет
прерывистую структуру: излучается порциями,
излученная порция световой энергии Е = h
сохраняет свою индивидуальность. Поглотиться
может только вся порция целиком.

h= А+ mv2
/2 – уравнение Эйнштейна. Энергия порции света
идет на совершение работы выхода и на сообщения
электрону кинетической энергии. А – работа
выхода – работа, которую нужно совершить для
извлечения электрона из металла, она зависит от
рода металла и состояния поверхности, от
интенсивности света не зависит. Условия
возникновения фотоэффекта: энергия кванта
должна быть больше работы выхода.

min = A/h – красная граница фотоэффекта –
минимальная частота

(max =
кр =
hc/A – максимальная длина волны), при которой еще
возможен фотоэффект; зависит от рода металла.

5. Фотоны.

При испускании и поглощении свет ведет себя
подобно потоку частиц с энергией Е= hзависящей от
частоты. Порция света похожа на частицу, ее
называют фотоном или квантом.

m = h/c 2
– масса движущегося фотона.

Фотон не имеет массы покоя, т.е. он не существует
в состоянии покоя и при рождении сразу
приобретает скорость с = 3 * 108 м/с.

р = mc = h/c
= h/ –
импульс фотона (направлен по световому лучу). Чем
больше частота излучения, тем больше энергия и
импульс фотона.

6. Давление света.

Под действием электрического поля волны
электроны совершают колебания. Электрический
ток направлен вдоль линий напряженности
электрического поля. Сила светового давления
направлена в сторону распространения волны.
Объяснение давления света с точки зрения
квантовой теории: фотоны имеют массу, обладают
импульсом, который передают телу. По закону
сохранения импульса, импульс тела равен импульсу
поглощенных фотонов. Покоящееся тело приходит в
движение, импульс тела изменяется,
следовательно, на тело действует сила. Световое
давление играет большую роль во внутризвездных
процессах.

7. Применение фотоэффекта:

• озвучивание кино;
• передача движущихся изображений;
• станки и машины с программным управлением;
• осуществление контроля качества изделий;
• включение и выключение механизмов, освещения и
  т.д.

Заполнение таблицы учащимися

8. Химическое действие света. Фотография.

Химическое действие света проявляется в
поглощении молекулами видимого и
ультрафиолетового излучений и расщеплении этих
молекул (выцветание тканей на солнце и
образование загара).

Важнейшие химические реакции под действием
света происходят в зеленых листьях и траве.
Листья поглощают из воздуха углекислый газ и
расщепляют его молекулы на кислород и углерод.
Как установил русский биолог К.А.Тимирязев, это
происходит в молекулах хлорофилла под действием
красных лучей солнечного спектра. Этот процесс
называют фотосинтезом. Химическое действие
света лежит в основе фотографии.

Задача 1: фотосинтез в зеленых листьях
растений интенсивно происходит при поглощении
красного света длиной волны 0,68 мкм. Вычислите
энергию соответствующих фотонов, объясните
зеленый цвет листьев (2,9 * 10 -19 Дж).

Задача 2: для уничтожения микробов в
операционном помещении используют
бактерицидные лампы. Вычислить энергию кванта
излучения такой лампы, если длина его волны 0,25
мкм. Почему видимый свет не оказывает
бактерицидного действия? (8 * 10 -19 Дж).

9. Единство волновых и квантовых свойств
света.

Заполнить и проанализировать таблицу

Как изменяются энергия, масса и импульс фотонов
при уменьшении длины волны?

В каких излучениях и почему заметнее
проявляются волновые свойства? квантовые
свойства?

Вывод: чем меньше длина волны (больше
частота), тем больше энергия и импульс фотона и
тем сильнее выраженные квантовые свойства света.
При увеличении длины волны наиболее ярко
проявляются волновые свойства. Свет обладает
дуализмом (двойственностью свойств): при
распространении проявляются его волновые
свойства, а при излучении и поглощении (т.е. при
взаимодействии с веществом) – корпускулярные
(квантовые) свойства.

IV. Рефлексия.

V. Итоги урока.

Соглас­но квантовой гипотезе Планка-Эйнштейна свет частотой n испускается, распространяется и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых eо=hn (h – постоянная Планка). Эти локализованные в пространстве дискретные световые кванты, движущиеся со скоростью с рас­пространения света в вакууме, получили назва­ние фотонов. Таким образом, распространение света можно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток частиц – фотонов. Доказательством этих квантовых (корпускулярных) представлений о свете, как о потоке частиц, являются фотоэффект и эффект Комптона.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Явление внешнего фотоэффекта и его закономерности объяснены на основе квантовой теории фотоэффекта, согласно которой каждый квант света поглощается только одним электроном.

Энергия hn падающего на металл фотона расходуется на совершение электроном работы вы­хода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетичес­кой энергии, то есть по закону сохранения энергии:

(уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта).

Из этого уравнения следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона ли­нейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности, то есть от числа фотонов. Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается, то при некоторой частоте n=n0 кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и в том случае энергия фотона hn0 равна работе выхода А, из чего следует, что n0=А/h (частота n0 носит название красной границы фотоэффекта). При частоте n<n0 фотоэффекта не будет.

Масса и импульс фотона.Согласно квантовой гипотезе Планка-Эйнштейна, распространение света можно рассматривать как поток часииц – фотонов, энергия которых e0=hn . Тогда из уравнения Эйнштейна взаимосвязи массы и энергии E=mc2 следует, что масса фотона:

.

Фотон движется со скоро­стью света с, поэтому импульс р фотона:

.

Полученные выражения связывают корпускулярные характеристики фотона – массу, импульс и энергию – с волновой характеристикой света – его частотой n (или его длиной волны l).

Корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Компто­на.

Эффектом Комптона называется увеличение длины волны коротковолнового электромаг­нитного излучения при его упругом рассеянии на свободных электронах вещества. Опыты Комптона показали, что разность длин волн рассеянного (l’) и падающего (l) электромаг­нитного излучения, то есть величина Dl=l’–l не зависит от длины волны l падающего излучения и природы рассеивающего вещества (РВ), а определяется только углом рассея­ния q, то есть углом между направлениями лучей до и после рассеяния (рис. 29):

, где–комптоновская длина волны.

Эффект Комптона не укладывается в рамки волновой теории света, и его объяснение дано на основе квантовых представлений о природе света. Если рассматривать излучение, как поток фотонов, то эффект Комп­тона – это результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными элек­тронами рассеивающего вещества. В процессе этого столкновения фотон переда­ет электрону часть своей энергии, что ведет к увеличению длины волны при рассеянии фотона.

(На рисунке 29 введены следующие обозначения: p и p’ – импульсы фотона до и после рассеяния; pe– импульс электрона после рассеяния на нем фотона).

Исходя из законов сохранения импульса и энергии

для упругого столкновения двух частиц (рис. 29) – налетающего фотона с покоящимся свободным электро­ном вещества, было получено следующее выражение для величины Dl:

, где пм.

Это выражение для величины Dl, полученное на основе корпускулярных представлений о свете, оказалось аналогично приведенному выше выражению для величины Dl, полученному Комптоном экспериментально.

Следовательно, эффект Комптона является экспериментальным доказательст-вом проявления корпускулярных свойств света как потока частиц – фотонов. Итак, рассмотренные явления фотоэффекта и эффекта Комптона служат доказательством квантовых (корпускулярных) представлений о свете как о потоке фотонов, а, с другой стороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света подтверждают волновую природу света. Таким образом, свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, проявляет так называемый корпускулярно-волновой дуализм.

Тема 14. Тепловое излучение

Излучение света телами, обусловлен­ное их нагреванием, называется тепловым излучением. Количественно тепловое излучение характеризуется спектраль-ной плот­ностью энергетической светимости тела,т.е. мощностью излучения с еди­ницы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины:

, где

– энергия излучения, испускаемого за единицу време­ни с единицы площади поверхности тела в интервале частот от n до n + dn .

Спектральную плот­ность энергетической светимостиможно представить в виде функции длины волны l , то есть в виде Rl,T, причем:

.

С помощью этой формулы можно перейти от Rn,Tк Rl,Tи наоборот.

Зная спектральную плотность энергетической светимости, можно вычислить интег­ральную энергетическую светимостьRT:

.

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спект­ральной поглощательной способностью Аn,T :

,

показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частота­ми от n до n + dn , поглощается телом.

Тело, способное поглощать полностью при любой температуре всё падающее на него излучение любой частоты, называется черным телом. Следовательно, спектральная поглощательная способность черного тела для всех частот и температур тождественно равна единице ().

Закон Кирхгофа. Кирхгоф установил, что отношение спектральной плотности энергетической светимости Rn,Tк спектральной поглощательной способности Аn,T не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией rn,T частоты n (или длины волны l) и температуры Т:

.

Для черного тела , поэтому из закона Кирхгофа вытекает, что универсальная функция Кирхгофа rn,T – это спектральная плотность энергетической светимости Rn,T черного тела. Тогда выражение для интег­ральной энергетической светимости черного тела Reможно записать в виде:

.

Энергетическая светимость черного тела Re зависит только от температуры.

Закон Стефана – Больцмана. Согласно закону Стефана – Больцманаэнергетическая светимость черного тела Re зависит от температуры Т следующим образом: , где s – постоянная Стефана – Больцмана.

Закон смещения Вина. Из эксперимен­тальных кривых зависимости функции rl,T от длины волны l при различных температурах (рис. 30) следует, что распределение энергии в спектре черного тела является неравномерным. Все кривые имеют ярко выраженный максимум, который по мере повышения температуры смещается в сторону более коротких волн.

Согласно закону смещения Вина, зависимость длины волны lmax , соответствующей максимуму функции rl,T, от температуры имеет вид: , где b – постоянная Вина.

Это выражение называют законом смещения Вина, так как оно показывает смещение положения максимума функции rl,T с изменением температуры Т .