Фотоэффект и его законы занимают особое место в истории физики. Явление фотоэффекта было одним из основных среди явлений, исследование которых привело к созданию квантовой теории вообще и квантовой теории света в частности. Сущность явления внешнего фотоэффекта и его главные закономерности заключаются, как известно, в следующем: под действием электромагнитного излучения наблюдается испускание (эмиссия) электронов из металлов.
В методике изучения фотоэффекта можно выделить несколько этапов:
1. Знакомство учащихся с самим явлением фотоэффекта. Рассказ об истории его открытия (Г. Герц).
2. Рассказ о поиске закономерностей этого явления. Исследования А. Г. Столетова.
3. Рассмотрение основных закономерностей фотоэффекта. Демонстрация возникших трудностей – невозможность объяснить все законы фотоэффекта с известных учащимся позиций (волновой теории света).
4. Выдвижение гипотезы световых квантов. Рассказ о работе А. Эйнштейна. Уравнение фотоэффекта.
5. Объяснение всех закономерностей фотоэффекта с квантовых позиций:
6. Выводы квантовой теории о природе света.
7. Вакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Применение фотоэффекта в технике.
Для более глубокого понимания школьниками явления фотоэффекта и его закономерностей лучше всего начать объяснение с эксперимента. Вначале демонстрируется опыт с цинковой пластинкой (амальгамированной или зачищенной до блеска). Пластинка соединена с электрометром и освещается электрической дугой без стеклянной оптики или ртутно-кварцевой лампой. Цинковую пластинку заряжают один раз отрицательным зарядом, а другой раз положительным зарядом, а затем освещают лампой; в первом случае электрометр разряжается, во втором – нет. Затем снова заряжают пластинку отрицательным зарядом и при освещении перекрывают пучок света стеклом, разряд электрометра прекращается.
Далее пучок света перекрывают непрозрачным экраном, а затем экран убирают, фотоэффект обнаруживается при освещении практически сразу. Далее повторяют опыты в тех же условиях (освещённость, начальный заряд) с отрицательно заряженной пластинкой другого металла (меди). В последнем эксперименте экраном из органического стекла перекрывают источник ультрафиолетового излучения. На цинке фотоэффект наблюдается, на меди – нет.
В ходе беседы последовательно обсуждаются следующие вопросы: почему заряженная пластина может сохранять заряд в течение длительного времени? Какими способами можно разрядить пластину? Как объяснить быстрый разряд отрицательно заряженной пластины при ее освещении светом дуги? Будет ли при освещении ультрафиолетом так же разряжаться положительно заряженная цинковая пластина? Почему электрометр не обнаруживает изменения заряда в этом случае? Наблюдаем ли мы разряд медной пластины при тех же условиях опыта? Почему прекращается разряд отрицательно заряженной цинковой пластины, если свет от электрической дуги перекрыть стеклянной пластиной?
Проведённое обсуждение позволяет сделать следующие выводы:
1. Под действием света разряжаются только отрицательно заряженные металлы. Следовательно, при некоторых условиях свет способен вырывать электроны из металлов. Это явление называют фотоэффектом. (Здесь же можно рассказать и об истории открытия фотоэффекта.)
2. Разряд начинается одновременно с началом освещения, следовательно, фотоэффект практически безынерционен. (Можно отметить, что точные опыты показали, что время между началом облучения и началом фотоэффекта не превышает 10-9 с.)
3. Наличие фотоэффекта зависит от рода и обработки освещаемого металла и от спектрального состава излучения, скорость разряда зависит также и от падающей в единицу времени световой энергии.
Изучение закономерностей фотоэффекта продолжают на установке, позволяющей исследовать зависимость фототока от приложенного напряжения, интенсивности и спектрального состава излучения. Вначале экспериментально устанавливают существование тока насыщения, а затем – его зависимость от интенсивности падающего на катод света (первый закон фотоэффекта – закон Столетова).
По результатам эксперимента строят графики зависимости силы тока от интенсивности света и от напряжения.
После этого, освещая фотоэлемент светом определенной частоты, с помощью потенциометра «запирают» фотоэлемент и измеряют запирающее напряжение, что позволяет определить максимальную скорость вылетающих электронов.
Меняя светофильтры, получают при повторении опытов новые данные и убеждают учащихся в том, что скорость вылета электронов зависит от частоты падающего света и не зависит от интенсивности света (второй закон фотоэффекта).
Далее можно приступить непосредственно к объяснению законов фотоэффекта. Само явление и то, что фототок насыщения прямо пропорционален падающей в единицу времени световой энергии – первый закон фотоэффекта, можно объяснить и с волновых позиций. Объяснение того, почему существует порог фотоэффекта (красная граница), почему максимальная начальная скорость (и максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов) не зависит от интенсивности света, а определяется только его частотой (линейно возрастает с частотой), а также объяснение безынерционности фотоэффекта не может быть дано на основе волновой электромагнитной теории света. Ведь по этой теории вырывание электронов из металла является результатом их «раскачивания» в переменном электрическом поле световой волны. Но тогда и скорость и кинетическая энергия фотоэлектронов должны зависеть от амплитуды вектора напряженности электрического поля волны и, следовательно, от ее интенсивности, на «раскачку» электрона требуется время, эффект не может быть безынерционным. Несоответствие экспериментальных фактов сложившейся волновой теории света доказывало ее несостоятельность и требовало создания новой теории.
В рассказе об истории открытия явления можно отметить, что трудности в объяснении законов фотоэффекта были не единственной причиной создания новой теории. В 1900 году М. Планк для объяснения теплового излучения вынужден был высказать, на первый взгляд, нелепую идею, что тело излучает энергию не непрерывно, а отдельными порциями (квантами). Эта идея противоречила сложившимся представлениям классической физики, где процессы и величины, их характеризующие, изменяются непрерывно. Эту непонятную и поэтому мало кем принятую идею в 1905 году А. Эйнштейн использовал для объяснения законов фотоэффекта. Он пошёл далее М. Планка и утверждал: свет не только испускается, но и распространяется и поглощается квантами.
Иначе говоря, поток монохроматического света представляет собой поток частиц (названных позднее фотонами), каждый из которых обладает энергией E = hv. Энергия фотона, как видно, пропорциональна частоте света. Чем больше частота (меньше длина волны) излучения, тем большую энергию несет каждый его фотон. Энергия фотонов длинноволнового излучения меньше.
Далее Эйнштейн предположил: каждый фотон взаимодействует не со всем веществом, на которое падает свет, и даже не с атомом в целом, а с отдельным электроном атома. Фотон отдает свою энергию электрону, а электрон, получив энергию, вырывается из металла с определённой кинетической энергией. На основе закона сохранения энергии можно записать следующее уравнение для элементарного акта взаимодействия фотона с электроном:
hv = A + Eк.
После этого объясняют экспериментальные законы фотоэффекта с точки зрения квантовой теории. Сила фототока насыщения равна числу электронов, вылетающих за единицу времени с освещаемой поверхности; интенсивность света – числу ежесекундно падающих фотонов. Так как каждый фотон может выбить с поверхности металла лишь один электрон, то естественно, что сила фототока насыщения (число вырванных электронов) будет пропорциональна интенсивности света (числу падающих фотонов).
Важно при этом подчеркнуть, что наблюдают прямую пропорциональность, а не равенство, так как часть падающих на металл фотонов отражается, а из поглощенных фотонов не все вырывают из металла свободные электроны. Энергия части поглощенных фотонов превращается во внутреннюю энергию металла. Поэтому отношение числа электронов к числу падающих на металл фотонов значительно меньше единицы (для чистых металлов примерно в 1000 раз).
Далее необходимо объяснить, почему наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего света, а не от его интенсивности (второй закон фотоэффекта). Из уравнения Эйнштейна следует: так как для данного вещества работа выхода постоянна, то наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте падающего света. Анализируют случай, когда энергия светового кванта численно равна работе выхода.
Следовательно, вся энергия фотона идет на совершение работы выхода и скорость электронов равна нулю. Красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода, то есть от химической природы металла, и может лежать на любом участке оптического диапазона. Для каждого вещества существует определённая длинноволновая граница фотоэффекта (третий закон фотоэффекта).
Таким образом, уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Оно позволяет вычислять скорости фотоэлектронов и определять наибольшую длину волны, при которой еще наблюдается явление фотоэффекта для данного вещества, а также определять работу выхода электронов из конкретного металла.
После анализа уравнения Эйнштейна можно показать, как была осуществлена экспериментальная проверка этого уравнения. Она состояла в определении постоянной Планка из результатов опыта. Так как работа выхода для данного вещества – величина постоянная, то кинетическая энергия фотоэлектрона является линейной функцией частоты излучения, падающего на фотоэлемент. При практическом проведении таких измерений встретились большие трудности. Первые тщательные измерения постоянной Планка этим методом были проведены в 1915 году Р. Милликеном. Он получил значение, близкое к тому, какое было уже известно из теории теплового излучения.
Для закрепления уравнений Эйнштейна полезно предложить ученикам задачи на вычисление скорости и энергии электронов, красной границы фотоэффекта, работы выхода.
В конце изучения явления темы «Фотоэффект» необходимо отметить, что сейчас явление фотоэффекта широко используется в различных областях науки и техники. С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на киноплёнке, а также передачи движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без участия человека изготавливают детали по чертежам. Приборы, основанные на фотоэффекте, контролируют размеры изделий лучше человека, вовремя включают и выключают маяки и уличное освещение и т. д.
Все это стало возможным благодаря изобретению совершенных устройств – фотоэлементов, в которых световая энергия управляет энергией электрического тока или превращается в неё.
Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, превращают в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому источники электроэнергии их не используют, зато широко применяются в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.
В аэронавигации, в военном деле широко применяют фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачные. С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему