Какое свойство света доказывает фотоэффект

Занятие №19

Фотоэффект и корпускулярные свойства света. Применение фотоэффекта в технике.

КВАНТ СВЕТА (фотон) – порция энергии электромагнитного излучения, элементарная частица, являющаяся порцией электромагнитного излучения, переносчик электромагнитного взаимодействия. Термин, используемый для описания света как потока нейтральных частиц, проявляющих и волновые свойства в ряде экспериментов.

ФОТОН – это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения (в узком смысле – света). Является истинно нейтральной частицей (т. е. не обладает никакими зарядами). Распространяется всегда с фундаментальной скоростью, равной 3×108 метра в секунду.

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ – это универсальное свойство природы, заключающееся в том, что в поведении микрообъектов проявляются и корпускулярные, и волновые черты. Было установлено, что свет для объяснения закономерностей фотоэффекта приходится считать потоком частиц, а для электронов и протонов можно наблюдать интерференцию и дифракцию.

Поскольку у фотона нет массы покоя, то он не подчиняется законам Ньютона. В частности, его нельзя ни ускорить, ни замедлить и никакие силы на него не действуют.

Энергия фотона.

Е — энергия фотона (Дж); h — постоянная Планка 6,63 . 10-34 Дж . с; ν — частота света (Гц).

Импульс фотона.

р – импульс фотона (кг . м/с); h – постоянная Планка 6,63 . 10-34 Дж. с; ν — частота света (Гц); с – скорость света в вакууме (м/с); λ – длина волны (м).

Масса фотона.

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света.

Законы фотоэффекта.

1-й закон ( Закон Столетова): количество электронов, выбиваемых светом заданной длины волны с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света;

2-й закон: максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности;

3-й закон: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая минимальная частота света (или максимальная длина волны), при которой еще возможен фотоэффект, и если частота света меньше этого критического значения, то фотоэффекта уже не происходит.

Формула Эйнштейна для фотоэффекта.

h — постоянная Планка; ν — частота (Гц); Авых — работа выхода электронов (Дж); m- масса электрона (кг); — скорость электрона (м/с).

Красная граница (порог) фотоэффекта.

Применение фотоэффекта.

С помощью фотоэффекта «заговорило» кино и стала возможной передача движущихся изображений (телевидение).

Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без всякого участия человека изготавливают детали по заданным чертежам.

Основанные на фотоэффекте приборы вовремя включают и выключают маяки и уличное освещение, и т. п.

Автомат в метро выдвигает перегородку при пересечении светового пучка, если предварительно не опущен жетон.

На заводах фотоэлементы мгновенно останавливают пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне, и т. д.

Действие солнечных элементов (СЭ) основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта.

Задача №1. Найдите работу выхода электрона из металла, если фотоэффект начинается при частоте падающего светаГц.

Задача №2. Длина волны, соответствующая красной границе (порогу) фотоэффекта для бромистого серебра, равна 0,6 мкм. Определите работу выхода электронов из бромистого серебра.

Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 15.1. Решить задачу: № 000. Найти красную границу фотоэффекта для калия.

Занятие №20

Радиоактивность. Биологическое действие излучения. Состав атомных ядер. Дефект массы. Энергия связи ядер.

Радиоактивность. Явление самопроизвольного испускания химическими элементами излучения, обладающего значительной проникающей способностью и ионизирующими свойствами, получило название естественной радиоактивности. Элементы, испускающие такое излучение называются радиоактивными. Радиоактивными являются все элементы с порядковым номером более 83 в таблице Менделеева.(Z >83).

Закон радиоактивного распада. Каждый радиоактивный элемент можно охарактеризовать промежутком времени Т, в течение которого распадается половина ядер, имевшихся в момент начала отсчета времени. Период полураспада — основная константа радиоактивного элемента. Период полураспада характеризует скорость распада. Например: радий 88Ra226 имеет период полураспада Т=1600 лет; торий 90Th,64 часа; полоний 84Po212 -3·10-7 сек.

Т — период полураспада (время, в течении которого распадается половина наличного числа атомов); N0- число радиоактивных атомов в начальный момент времени; N- число нераспавшихся атомов; t — промежуток времени.

Распад любого атомного ядра — это, так сказать, не «смерть от старости», а «несчастный случай» в его жизни. Для радиоактивных атомов (точнее, ядер) не существует понятия возраста. Можно определить только среднее время жизни.

Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями. АЛЬФА-ЧАСТИЦА (a-частица) – ядро атома гелия. БЕТА-ЧАСТИЦА – испускаемый при бета-распаде электрон. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ — (гамма — кванты) коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны меньше 2×10–10 м.

Основным процессом, объясняющим биологическое действие излучения, является растрата поглощённой энергии на разрыв химических связей с образованием высокоактивных в химическом отношении соединений, так называемых свободных радикалов.

Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза.

Использование ионизирующего излучения: для ускорения химических реакций; «меченые атомы»; для выведения высокоактивных штаммов пенициллина; для выведения новых сортов растений.

Протон (от греч. первый, основной)– это положительно заряженная элементарная частица, имеющая массу, превышающую массу электрона в 1836 раз; ядро атома водорода. Протон (наряду с нейтроном) является одним из нуклонов и входит в состав атомных ядер всех химических элементов.

НЕЙТРОН — это электрически нейтральная частица, имеющая массу, в 1839 раз превышающую массу электрона. Свободный нейтрон – нестабильная частица, распадающаяся на протон и электрон.

НУКЛОНЫ – это общее наименование для протонов и нейтронов – частиц, из которых построены атомные ядра.

МАССОВОЕ ЧИСЛО – это число нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Массовое число равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента. 11Na23, 26Fe55, 13Al27.

СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – это одно из четырех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц, частным проявлением которого являются ядерные силы.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНОГО ЯДРА – это минимальная энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. При образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение энергии ядра, что сопровождается уменьшением массы, т. е. масса ядра должна быть меньше суммы масс отдельных нуклонов, образующих это ядро. Мя< Zmp+ Nmn

Не считая самых лёгких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон.

ДЕФЕКТ МАССЫ: ∆ М= Zmp+ Nmn — Мя

Задача №1. Сколько электронов содержится в электронной оболочке нейтрального атома, в ядре которого содержится 16 протонов и 15 нейтронов.

Задача №2. Сколько протонов Z и сколько нейтронов N в ядре изотопа кислорода 8О17?

Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 17.1. Решить задачу: № 000. Каков состав изотопов неона 10Ne20, 10Ne21 и 10Ne22 ?

Атомный реактор.

Первый ядерный реактор построен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1. Она была запущена 25 декабря 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова. 26 декабря 1946 года в СССР запущен первый атомный реактор «Ф-1» («Физический первый»), главным конструктором которого был Николай Доллежаль.

Первая в мире промышленная атомная электростанция мощностью 5 МВт была запущена 27 июня 1954 года в СССР, в городе Обнинск, расположенном в Калужской области.

Ядерный реактор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии.

Схематическое устройство реактора на тепловых нейтронах

1 — управляющий стержень; 2 — биологическая защита; 3 — теплоизоляция; 4 — замедлитель; 5 — ядерное топливо; 6 — теплоноситель.

Домашнее задание. Учить конспект. Читать §17.3 (п.6).

.

Физика, 11 класс

Урок 23.Фотоны. Применение фотоэффекта. Давление света

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Применение фотоэффекта.
2. Фотоны. Корпускулярно-волновой дуализм.
3. Формула де Бройля
4. Давление света. Опыты П.Н. Лебедева
5. Опыты С.И. Вавилова.
6. Химическое действие света.

Глоссарий по теме

Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из металла под действием света.

Явление внутреннего фотоэффекта – это явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе под действием света.

Фотоэлемент – это устройство, в котором энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё.

Свет — это поток фотонов, каждый из фотонов обладает импульсом:

Свет обладает корпускулярно – волновым дуализмом: при его распространении преобладают волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) – корпускулярные.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014.– С.260-274

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2009.

Открытые электронные ресурсы:

https://kvant.mccme.ru/1988/06/davlenie_sveta.htm

Основное содержание урока

1.Явление фотоэффекта широко применяют в науке и технике: оно позволяет осуществить непосредственное преобразование энергии света в электрическую энергию. С помощью фотоэффекта появился звук в кино, стала возможной передача движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без участия человека изготовляют детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше человека, вовремя включают и выключают уличное освещение и т. п.

Вспомним, что явление фотоэффекта делится на внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из металла под действием света. Это явление применяется в вакуумных фотоэлементах. Явление внутреннего фотоэффекта – это явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе под действием света. Это явление применяется в полупроводниковых фотоэлементах.

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. В них энергия света управляет энергией электрического тока или превращается в нее. Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому источники электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков. Рассмотрим устройство современного вакуумного фотоэлемента. Он представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла. Этот слой изготовлен из металла с малой работой выхода и служит катодом.

Анодом служит проволочная петля (или диск), находящаяся в центре колбы. Анод улавливает фотоэлектроны. Он присоединяется к положительному полюсу батареи, а катод – к отрицательному.

Когда свет через прозрачную часть колбы попадает на катод, в цепи возникает электрический ток (за счет движения электронов, вырванных из металла). Этот ток регистрируется тем или иным устройством, в результате чего включается (или наоборот выключается) реле. Эта схема работы лежит в основе всех, так называемых, видящих автоматов – тех же автоматических дверей. Когда человек подходит к такой двери, он закрывает собой свет, и на это незамедлительно реагирует фотоэлемент, а за ним и реле. Можно заметить похожую картину и в современных лифтах: если стоять в дверном проеме, то дверь не будет закрываться. По тому же принципу действуют турникеты в метро или освещение, которое автоматически включается, когда вы входите в помещение.

В аэронавигации, в военном деле широко применяют фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачны. С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

2. Принцип действия полупроводникового фотоэлемента основано на явлении внутреннего фотоэффекта. Напомним, что полупроводники делятся на полупроводники n-типа и полупроводники p-типа. Полупроводники n-типа – это полупроводники с донорными примесями: в них основными носителями зарядов являются электроны. Полупроводник p-типа — полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда дырки.

Под действием света образуются новые пары электрон-дырка. Это приводит к тому, что в полупроводнике n-типа накапливается все больше электронов, а в полупроводнике p-типа накапливается все больше дырок. При замыкании цепи в ней возникнет электрический ток, равный разности токов основных и неосновных носителей. Сила тока будет зависеть от интенсивности падающего света и от сопротивления цепи.

Полупроводниковые фотоэлементы используют также в качестве экономичных источников тока. Ярким примером таких источников являются солнечные батареи.

3.Основные выводы:

Фотоэлемент – это устройство, в котором энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё.

В вакуумных фотоэлементах используется внешний фотоэффект.

В полупроводниковых фотоэлементах используется внутренний фотоэффект.

4. В современной физике фотон считается одной из элементарных частиц, являющейся переносчиком электромагнитного взаимодействия. Рассмотрим фотон в рамках явления фотоэффекта. 14 декабря 1900 г. немецкий физик Макс Планк выступил на заседании Немецкого физического общества с докладом, посвящённым проблеме распределения энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела. Он установил формулу, которая выражала зависимость энергии электромагнитных волн от частоты. Так зарождалась квантовая теория, но Планк не мог тогда предположить, к каким революционным преобразованиям в будущем приведёт его «рабочая» формула! Альберт Эйнштейн был первым физиком, всерьёз заинтересовавшимся гипотезой Планка. Он пишет статью в марте 1905 г «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света», где приводит понятие – световые кванта – частицы, из которых состоит электромагнитное излучение. Позднее эти частицы – кванты электромагнитного излучения стали называть фотонами.

5. Так какими же свойствами обладает фотон?

По современным представлениям фотоны обладают следующими свойствами:

1)Заряд фотона равен нулю.

2) Скорость фотона равна скорости света в вакууме.

с = νλ = 3·108 м/с

3)Масса покоя фотона равна нулю.

4)Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения, квантом которого он является.

Часто энергию фотона выражают через циклическую частоту омега:

При этом в формуле энергии кванта в качестве коэффициента пропорциональности вводится вместо постоянной Планка h используют величину аш с чертой:

5) Масса движущегося фотона определяется формулой:

У фотона нет массы покоя, так как не существует в состоянии покоя.

Масса, определяемая формулой , это масса движущегося фотона.

6) Зная массу и скорость можно найти импульс фотона:

Импульс фотона направлен вдоль светового луча.

Перечисленные свойства фотонов были установлены не сразу. В начале XX века сама идея о существовании световых квантов встречала резкое неприятие. Ведь интерференция, дифракция света явно показывала, что свет – это волна. А теория Эйнштейна этому противоречила. Согласно квантовым представлениям свет – это поток частиц – фотонов, движущихся со скоростью света. Таким образом, свет обладает корпускулярно – волновым дуализмом: при его распространении преобладают волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) – корпускулярные.

Свет оказался сложным явлением.

6. В 1923 году французский ученый Луи де Бройль высказал необычную мысль: может быть электрон и другие частицы обладают также и волновыми свойствами. Де Бройль получил формулу длины волны для этих волн.

Знаменитая формула для длины волны де Бройля:

Экспериментально обнаружены волновые свойства электронов, протонов, нейтронов.

У частицы, имеющей некоторую массу m и движущейся со скоростью v, можно определить длину волны (связь длины волны с импульсом, формула де Бройля):

7. В 1873 г. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствия. Впервые гипотеза о световом давлении была высказана еще в 1619 г. немецким ученым И. Кеплером (1571-1630) для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца.

Предсказанное Максвеллом существование светового давления было экспериментально подтверждено Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Оно оказалось чрезвычайно малым, 4*10-?6Па. Тем не менее, световое давление сыграло большую роль в развитии физики, особенно такого его важного раздела, как теория электромагнитного поля.

Как объяснить возникновение светового давления с позиций квантовой теории света?

Свет — это поток фотонов, каждый из фотонов обладает импульсом:

При поглощении веществом фотон перестает существовать, но импульс его, по закону сохранения импульса, не может совсем исчезнуть. Он передается телу, значит, на тело действует сила. Это верно, когда свет веществом поглощается. Свет еще может отражаться телами, а если тело прозрачно, то может проходить сквозь него. Что же наблюдается в реальных условиях? В реальных условиях свет частично отражается телом, частично поглощается, а если это, например, стекло, то свет проходит сквозь него. Но как будет обстоять дело, если поверхность зеркальная? Возникает ли световое давление в данном случае?

Для простоты предположим, что свет падает перпендикулярно к поверхности зеркала.

Мы знаем, что при абсолютном ударе какого-либо тела о стенку она получает импульс, модуль которого равен удвоенному модулю импульса тела, то есть 2mυ.

Здесь будет то же самое. Отражаясь, фотон летит с той же скоростью, но в противоположном направлении. Значит, при отражении фотона от зеркала его импульс изменяется на 2mc.

Такое же изменение импульса, но в противоположном направлении, получит зеркало. Сила давления света в случае отражения будет в 2 раза больше, чем в случае поглощения. Таким образом, световое давление в реальных условиях обусловлено как поглощением, так и отражением фотонов.

8. Световое давление принадлежит к числу тех оптических явлений, которые могут быть объяснены с позиций, как квантовой теории света, так и волновой.

Как же объяснить световое давление на основе волновой теории?

Предположим, что световая волна падает на поверхность тела по нормали. Как будет направлена тогда сила светового давления? Тоже по нормали в сторону распространения света. Откуда это следует? Какова природа этой силы с точки зрения волновой теории? Все тела состоят из молекул, атомов, а атомы из электронов, протонов и нейтронов.

На эти частицы при прохождении электромагнитной волны будут действовать силы со стороны электрического поля волны. Эта сила равна F=qE.. На движущиеся в магнитном поле заряженные частицы будут действовать сила Лоренца. Сила Лоренца рассчитывается по формуле F=q????Bsina, а направление этой силы определяется по правилу левой руки.

Итак, электромагнитная волна может оказывать воздействие только на заряженные частицы. Световое давление объясняется действием световой волны на заряженные частицы, находящиеся в теле.

9. А сейчас постараемся выяснить, какие силы, электрические или магни?