Фотоэлектрический эффект. Экспериментальные законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hν, где h — постоянная Планка, равная 6, 63× 10^-34 Дж× с, ν — частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым А. Г. Столетовым.

 

Фотоэффект — это явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения полностью передается электронам вещества.Различают внешний фотоэффект – сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества и внутренний – не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества. Внешний фотоэффект также называют фотоэмиссией.

В результате исследований Столетова были установлены три закона внешнего фотоэффекта:

1. Сила тока насыщенияI_н, определяемая максимальным числом электронов, вырываемых из катода за единицу времени, прямо пропорциональна интенсивности Iпадающего светового излучения.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов E_K^maxлинейно возрастает с частотой света nи не зависит от его интенсивностиI.

3. Если частота света nменьше некоторой определенной для данного вещества минимальной частотыn_min, то фотоэффект не происходит.

 

Зависимость фототока от напряжения показана на рисунке.

I_Ф, А

 

I_нас

 

 

 

U_З 0 U_нас U, В

 

Развивая идеи Планка для объяснения экспериментальных законов фотоэффекта Эйнштейн в 1905 г создал теорию фотоэффекта. Гипотеза Эйнштейна: свет поглощается и перемещается в виде отдельных порций – квантов и является совокупностью движущихся фотонов. Фотон – элементарная частица, не имеющая массы, движущаяся со скоростью света, обладающая энергией кванта и импульсом.

По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию hn. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это энергия, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид: = hn - А_вых. Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

Это уравнение объясняет законы внешнего фотоэффекта:

1. Чем больше интенсивность излучения, тем больше число падающих фотонов, тем больше электронов вылетает из металла;

2. Чем больше частота излучения, тем больше максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов; = |e|× U_З;

3. А_вых = hn_min, если частота падающего излучения меньше n_min, то испускания электронов не происходит.

 

 

Билет № 12

Опыты Резерфорда по рассеянию α -частиц. Ядерная модель атома

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопилось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.

В начале 20 в. широкое распространение получила модель атома Томсона: положительный заряд равномерно распределен по всему объему атома, а отрицательные частицы – электроны – плавают в этой положительной среде и полностью компенсируют ее заряд (кекс с изюмом).

Большие успехи в исследовании строения атомов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда, который экспериментально проверял справедливость теории Томсона. В этих опытах узкий пучок α -частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обнаружено, что большинство α -частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые α -частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние α -частиц Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд не распределен равномерно в шаре радиусом 10^-10 м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома — атомном ядре. При прохождении около ядра α -частица, имеющая положительный заряд, отталкивается от него, а при попадании в ядро — отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует центральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять диаметр атомного ядра ≤ 10^-14 м.

 

Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вращаются электроны (как планеты вокруг Солнца). Заряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.

 

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов:

1) электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро и время жизни атома должно быть очень короткое, а атом — это устойчивая система;

2) при движении по круговой орбите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейчатый спектр.

Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.

Демонстрации: плакат «Опыт Резерфорда. Планетарная модель строения атома».

 

 

Билет №14

⇐ Предыдущая123

Поделиться: