Опишите по шагам что происходит с фотоном падающим на границу металла
Если на металл падает свет, то из металла вылетают электроны, это экспериментальный факт, был в своё время такой опыт, и явление называется фотоэффектом.Металлы – это такие вещества, у которых при соединении атомов в решётку отскакивают валентные электроны, остаются ионы, которые стоят в узлах решётки, и, значит, мы имеем такую структуру: ионы с положительными зарядами, а между ними электроны, и эти электроны свободно сквозят через эту решётку. Почему электрон не вылетает, никаких стенок нет? Ответ простой: как только электрон вылетел, весь кусок (до этого был нейтральным) становится положительно заряженным, и он затягивает его обратно. Вроде бы мы ответили на вопрос, но не так-то просто!Если рисовать потенциальную энергию электронов в металле, то это можно изобразить так: вне металла уровень постоянный, там нет электрического поля, а внутри металла потенциальная энергия падает. Это соответствует тому, что в этой области действует сила рис.1.5).
Если иметь в виду эту аналогию, то понятно, что свет при фотоэффекте ведёт себя как частица, как летящая пуля: как бы далеко это движение не удалялось от источника, если произошло взаимодействие, то электрон вылетит с той же самой скоростью. То есть эффект взаимодействия от расстояния не зависит; вопрос заменяет вероятность того, что свет провзаимодействует с электроном. Именно это и говорит, что при фотоэффекте свет ведёт себя не как волна, энергия которой убывает как взаимодействие света с веществом происходит так же, как, если бы он был потоком частиц. Эти частицы получили название фотоны.
Энергия фотона связана с частотой. То, что мы в волновой теории называли частотой, а просто визуально это проявляется в цвете, эта вещь определяет энергию фотона: h – постоянная Планка. Она появилась немного раньше и по другим причинам (как она появилась, мы это в своё время обсудим). h – это некоторая константа с размерностью действием. Импульс фотона – это энергия, делённая на скорость света: . Когда импульс равен нулю (p = 0),Механические колебания Существуют периодические и непериодические колебания. Особое место среди первых из них занимают гармонические колебания.
Гармоническими называются колебания, для которых изменяющаяся величина зависит от времени по закону синуса или косинуса.
Уравнение гармонических колебаний можно записать в виде:
x = A*sin(wt + f0), где
x - смещение точки от положения равновесия,
A - амплитуда колебаний,
(wt+f0) - фаза колебаний,
f0 - начальная фаза,
w - частота,
t - время.
Скорость гармонического колебания
Ускорение колеблющейся точкиПри механических колебаниях колеблющееся тело (или материальная точка) обладает кинетической и потенциальной энергией. Кинетическая энергия тела W:
Объясните, как явление интерференции света в тонких пленках используется для просветления оптики?
Из-за уменьшения отражения света от поверхности линзы в результате нанесения на нее специальной пленки с показателем преломления меньше, чем у стекла (просветление оптики).
Контрольные вопросы О-2:
Что такое дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля?
Дифракция света-явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. При дифракции световые волны огибают границы непрозрачных тел и могут проникать в область геометрической тени.
Принцип Гюйгенса-Френеля: каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн. Дифракционная картина является результатом интерференции вторичных световых волн.
Метод зон Френеля и его применение для анализа дифракционной картины.
Зона Френеля — это цилиндрический эллипс, проведенный между передатчиком и приемником. Размер эллипса определяется частотой работы и расстоянием между двумя участками.
Нужен для расчета распространения волнового фронта. Метод зон Френеля позволяет сравнительно просто найти интенсивность света только в точке, лежащей на оси круглого отверстия на экране.
Дифракция Фраунгофера на одиночной щели. Условие наблюдения дифракционных минимумов.
Дифракция Фраунгофера наблюдается в том случае, когда источник света и точка наблюдения бесконечно удалены от препятствия, вызвавшего дифракцию.
Условие минимума при дифракции Френеля: если число зон Френеля четное ,то в точке наблюдается дифракционный минимум.
Дифракционная решетка. Период решетки. Характер дифракционной картины. Условия наблюдения дифракционных минимумов.
Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа N одинаковых по ширине и параллельных друг другу полей, разделенных непрозрачными промежутками, равные по ширине.
Дифракционная картина на решетке определяется как результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей, т.е. в дифракционной решетке осуществляется многолучевая интерференция. Т.к. щели находятся друг от друга на одинаковых расстояниях, то разности хода лучей, идущих от двух соседних щелей, будут для данного направления φ одинаковы в пределах всей дифракционной решетки ; b — ширина щели ; а — ширина непрозрачного участка.
В направлениях, в которых наблюдается минимум для одной щели, будут минимумы и в случае N щелей, т.е. условие главных минимумов дифракционной решетки будет аналогично условию минимумов для щели:
Дифракционная решетка как спектральный прибор. Угловая дисперсии и разрешающая способность решетки.
С увеличением числа щелей растет интенсивность главных максимумов, ибо возрастает количество пропускаемого решеткой света, но самое существенное изменение, вызванное большим количеством щелей, состоит в превращении расплывчатых главных максимумов в резкие, узкие максимумы.
Дифракционная решетка, как и всякий спектральный прибор, характеризуется дисперсией и разрешающей способностью.
За меру дисперсии принимается угловое расстояние между двумя линиями, отличающимися по длине волне на 1Å. Если двумя линиями, отличающимися по длине на соответствует разнице в углах, равная то мерой дисперсии будет выражение: .
Разрешающая способность решетки характеризуется возможностью отличить наличие двух близких волн (разрешить две длины волны). Обозначим через минимальный интервал между двумя волнами, которые могут быть разрешены данной дифракционной решеткой. За меру разрешающей способности решетки принято считать отношение длины волны, около которой выполняется измерение, к указанному минимальному интервалу ,то есть , где — порядок спектра; N —общее число щелей решетки.
Контрольные вопросы КФ-10:
Что такое фотоны?
Фотоны — это частицы (кванты), поток которых является одной из моделей электромагнитного излучения (ЭМИ).
Назовите все модели электромагнитного излучения.
луч-линия распространения ЭМИ (геометрическая оптика)
волна-гармоническая волна, имеющая амплитуду и определенную длину волны или частоту (волновая оптика)
поток частиц (фотонов) используется для объяснения многих эффектов, на которых основана квантовая теория строения вещества
Какую модель надо применять для электромагнитного излучения, падающего на фотоэлемент?
Поток частиц (фотонов).
Какую модель надо применять для электромагнитного излучения, проникающего в фотокатод и взаимодействующего со свободными электронами металла?
Какова модель металла, взаимодействующего с электромагнитным излучением при описании фотоэффекта?
Напишите формулу энергии фотона.
[ν-частота излучения; h — постоянная Планка (6,62⋅10^(-34) Дж⋅с) ]
Какова скорость движения фотона в металле?
Напишите формулу, связывающую энергию фотона и его массу.
Напишите выражение энергии фотона через его импульс.
λ — длина волны ЭМИ
Дайте формулировку явления внешнего фотоэффекта.
Внешний фотоэффект есть явление вылета электронов из вещества(металла) при его облучении электромагнитным излучением (ЭМИ), например, светом.
Опишите, что происходит с фотоном, падающим на границу металла.
Фотон, падающий на границу металла, поглощается свободным электроном, отдавая ему всю свою энергию.
Опишите, что происходит со свободным электроном металла после его взаимодействия с фотоном.
Кинетическая энергия электрона внутри вещества увеличивается на , но при вылете фотоэлектрона из вещества им совершается работа (работа выхода) против сил электростатического притяжения к металлу. Таким образом сообщенная электрону фотоном дополнительная энергия уменьшается на величину, равную работе выхода из металла(фотокатода), а оставшаяся часть имеет вид кинетической энергии фотоэлектрона вне металла (фотокатода).
Опишите, что происходит с электроном, входящим в состав атома металла после его взаимодействия с фотоном.
Происходит поглощение электроном фотона и переход электрона в другое квантовое состояние.
Что такое работа выхода? Чья это характеристика?
Работой выхода называется минимальная энергия, которую надо сообщить электрону вещества, чтобы он мог его покинуть.
Работа выхода есть характеристика данного вещества.
Напишите формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Дайте определение красной границы фотоэффекта.
Красная граница фотоэффекта есть минимальная частота ЭМИ, при которой еще наблюдается фотоэффект, то есть для которого энергия равна работе выхода ( ).
Как устроен фотоэлемент?
Устройство включает в себя два металлических электрода, впаянных в стеклянную колбу. Один из электродов называют анодом, а второй — фотокатодом, и на нем наблюдается фотоэффект. Анод обеспечивает поглощение электронов и протекание тока во всей цепи. Колба вакуумируется.
3ачем в фотоэлементе применяют вакуумированный корпус?
Чтобы фотоэлектроны могли без столкновений двигаться от катода до анода.
Почему катод фотоэлемента называют фотокатодом?
Катод фотоэлемента называют фотокатодом, т.к. он эмитирует электроны при облучении электромагнитным излучением. Обычный катод эмитирует электроны в результате нагрева.
Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода?
Запирающим (задерживающим) напряжением называется минимальное тормозящее напряжение между анодом и фотокатодом, при котором прекращается ток в цепи этой лампы, то есть фотоэлектроны не долетают до анода.
Какие законы сохранения выполняются при движении электрона от фотокатода к аноду?
Закон сохранения энергии.
Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода ниже потенциала фотокатода?
При потенциале анода ниже потенциала фотокатода фотоэлектрон тормозится электрическим полем и может возвратиться на фотокатод.
Вопросы и задания для самоконтроля
Напишите формулу, связывающую энергию фотона и его массу.
Напишите выражение энергии фотона через его импульс.
Дайте формулировку явления внешнего фотоэффекта.
Опишите по шагам, что происходит с фотоном, падающим на границу металла.
Опишите по шагам, что происходит со свободным электроном металла после его взаимодействия с фотоном.
Что такое работа выхода? Чья это характеристика?
Напишите формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Дайте определение красной границы фотоэффекта.
Как устроен фотоэлемент?
Почему катод фотоэлемента называют фотокатодом?
Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода?
Как движется фотоэлектрон в фотоэлементе при потенциале анода выше потенциала фотокатода?
Как связана кинетическая энергия электрона у катода с его потенциальной энергией у анода и почему?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3_2
Спектр излучения атомарного водорода
Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебнике (Савельев, т. 3, § 12, 28). Запустите программу. Выберите «Квантовая физика», «Постулаты Бора». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ на с. 5 еще раз.)
Знакомство с планетарной и квантовой моделями атома при моделировании процесса испускания электромагнитного излучения возбужденными атомами водорода.
Экспериментальное подтверждение закономерностей формирования линейчатого спектра излучения атомарного водорода при низких давлениях.
Экспериментальное определение постоянной Ридберга.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:
СПЕКТРОМ электромагнитного излучения (ЭМИ) называется совокупность электромагнитных волн, излучаемых или поглощаемых атомами (молекулами) данного вещества.
ЛИНЕЙЧАТЫЙ спектр состоит из отдельных компонент (линий), близких к гармоническим. Расстояние между линиями (по шкале длин волн или частот) много больше ширины линий. Такой спектр излучают атомарные газы.
Кроме линейчатого выделяют еще ПОЛОСАТЫЙ спектр, который излучают молекулярные газы, и СПЛОШНОЙ спектр, излучаемый нагретыми твердыми телами.
ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ атома: в центре атома расположено очень малое положительно заряженное ядро, вокруг которого по определенным (разрешенным) стационарным орбитам движутся электроны, масса которых во много раз меньше массы ядра. При движении по орбите электрон не испускает электромагнитного излучения (ЭМИ). При поглощении ЭМИ (фотона) электрон переходит на более «высокую» разрешенную орбиту, на которой его энергия становится больше на величину ЕЭЛ, равную энергии поглощенного фотона ЕФ. При обратном переходе электрон испускает фотон с такой же энергией ЕФ = |ЕЭЛ |.
КВАНТОВАЯ модель атома отличается от планетарной в первую очередь тем, что в ней электрон не имеет точно определенной координаты и скорости, поэтому бессмысленно говорить о траектории его движения. Можно определить (и нарисовать) только границы области его преимущественного движения (орбитали).
УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА для движения электрона в кулоновском поле ядра атома водорода используется для анализа квантовой модели атома. В результате решения этого уравнения получается волновая функция, которая зависит не только от координаты и времени t, но и от четырех параметров, имеющих дискретный набор значений и называемых квантовыми числами. Они имеют названия: главное, азимутальное, магнитное и магнитное спиновое.
Главное квантовое число n может принимать целочисленные значения 1, 2, . Оно определяет величину энергии электрона в атоме:
, где Еi – энергия ионизации атома водорода (13,6 эВ).
АЗИМУТАЛЬНОЕ (ОРБИТАЛЬНОЕ) квантовое число l определяет модуль момента импульса электрона при его орбитальном движении . Оно принимает целочисленные значения l = 0, 1, 2, . n–1.
МАГНИТНОЕ квантовое число ml определяет проекцию вектора момента импульса орбитального движения электрона LZ на направление внешнего магнитного поля . Оно принимает положительные и отрицательные целочисленные значения, по модулю меньшие или равные l . , где ml = 0, 1, 2, . , l .
МАГНИТНОЕ спиновое квантовое число mS определяет проекцию вектора собственного момента импульса электрона (СПИНА ) на направление внешнего магнитного поля :
SZ = mS и принимает только 2 значения: mS = +1/2, –1/2. Для модуля спина , где s – спиновое квантовое число, которое у каждой частицы имеет только одно значение. Например, для электрона s = (аналогично для протона и нейтрона). Для фотона s = 1.
ВЫРОЖДЕННЫМИ называются состояния электрона с одинаковой энергией.
КРАТНОСТЬ ВЫРОЖДЕНИЯ равна количеству состояний с одной и той же энергией.
КРАТКАЯ запись состояния электрона в атоме: ЦИФРА, равная главному квантовому числу, и буква, определяющая азимутальное квантовое число:
5.5 Обработка результатов и оформление отчета:
Постройте график зависимости напряжения запирания (UЗАП) от обратной длины волны (1/).
Определите постоянную Планка, используя график и формулу
.
Используя длину волны красной границы фотоэффекта, вычислите значение работы выхода материала фотокатода.
Запишите ответы и проанализируйте ответы и график.
Таблица 3. Значения работы выхода для некоторых материалов
6 Контрольные вопросы
Что такое фотоны?
Назовите все модели электромагнитного излучения.
Опишите по шагам, что происходит со свободным электроном металла, после его взаимодействия с фотоном.
Опишите, что происходит с электроном, входящим в состав атома металла, после его взаимодействия с фотоном.
Что такое запирающее напряжение для данного фотокатода.
7 Содержание отчёта
7.1 Наименование работы.
7.3 Описание используемого оборудования.
Принципиальная схема установки (Рисунок 2)
Определённое значение длины волны красной границы фотоэффекта.
График зависимости напряжения запирания (UЗАП) от обратной длины волны (1/).
Вычисление постоянной Планка.
Значение работы выхода материала фотокатода.
8 Список использованной литературы.
Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: учебное пособие для втузов. – 4-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2002. – 718 с.
Тихомиров Ю.В. Лабораторные работы по курсу физики с компьютерными моделями (Молекулярная физика и термодинамика). Учебное пособие для студентов высших технических учебных заведений дневной, вечерней и заочной (дистанционной) форм обучения. -М.:2003.-22 с.
Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 13-е изд., стереотип. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 560 с.: ил.
Исследование закономерностей фотоэффекта. Метод. указания к лаб. работам/ Сост. В.Ю. Никифоров – Егорьевск: ЕТИ (филиал) ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2003- 12 с.
Фотоэффект
По условиям техники безопасности делятся на две части:
– производство работ (трудоемкие работы).
Все работы производят при выполнении следующих условий:
– на работу должно быть выдано уполномоченным на это лицам;
– работу должны производить, как правило, не меньше чем, два лица;
– должны быть организационные и технические мероприятия, обеспечивающие безопасность персонала.
При попадании человека под действие электротока, в первую очередь его надо освободить от такого действия: отключить электропитание, перерубить провод токоизолированным инструментом, оттянуть человека от токоведущей части за одежду. Далее в зависимости от состояния пострадавшего: при отсутствии сознания, но с сохранившимся дыханием приводят человека в сознание; при отсутствии дыхания – делают искусственное дыхание “изо рта в рот” и наружный массаж сердца.
1. Виды фотоэффекта. Закономерности фотоэффекта, установленные Столетовым.
2. Вольтамперная характеристика фотоэффекта.
3. Законы внешнего фотоэффекта.
4. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
1 Последовательное решение проблемы теплового излучения абсолютно черного тела оказалась возможной лишь после того, как М. Планк отказался от классических представлений о непрерывном процессе излучения энергии атомом- осциллятором. Квантовая гипотеза Планка привела в дальнейшем к представлению о том, что свет испускается и поглощается отдельными порциями – квантами. Эта гипотеза нашла свое подтверждение и развитие при объяснение фотоэффекта.
Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный.
1.Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитные излучаемые переходы электронов внутри проводника или диэлектрика из связанных состояний в свободное без вылета наружу.
В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению ЭДС.
2.Вентильный фотоэффект – разновидность внутреннего фотоэффекта - возникшее фото ЭДС при освещении контакта 2-х разных полупроводников или полупроводника или металла (при отсутствии внешнего электрического поля).
3.Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения или иначе: явление вырывания элементов из твердых и жидких веществ под давление света.
Ионизация атомов или молекул газа под давление света называется фотоионизацией.
Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены А. Столетовым. Он установил следующие закономерности:
1. Наибольший эффект давление оказывает ультрафиолетовое излучение.
2. Под действием света вещество теряет только отрицательные заряды.
3. Сила тока, возникшая под действием света пропорциональна его интенсивности.
2. Экспериментальные исследования внешнего фотоэффекта у металлов показали, что это явление зависит не только от химической природы металла, но и от состояния его поверхности. Даже ничтожное загрязнение поверхности существенно влияет на эмиссию элементов под действием света. Поэтому для изучения фотоэффекта пользуются вакуумной трубкой.
| Рис.1. | Диод состоит из: 1.Катода, 2.анода, |
| 3. стеклянного баллона, из которого | |
| выкачан воздух (вакуумная трубка). | |
| Катод, покрытый исследуемым | |
| Металлом, освещается монохрома- | |
| тическим светом. Напряжение между | |
| катодом и анодом регулируется |
(изменяются значение и знак напряжения U). Фототок измеряется миллиамперметром.
Существование фототока в области отрицательного напряжения от 0 до U0 объясняется тем, что фотоэлектроны, выбитые из катода , обладают отличной от нуля кинетической энергией за счет которой они могут совершить работу против сил задерживающего электрического поля в трубке и достигать анода.
Для того, чтобы фототок стал равен нулю, необходимо приложить задерживающее напряжению U0. При этом напряжении ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной. скоростью Vmax не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода Þ mV 2 max/2 = eU0
Т.е., измерив задержание напряжения U0, можно определить максимальное значение скорости и кинетической энергии фотонов.
По мере увеличения напряжения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Максимальное значение тока Iн называется фототоком насыщения и соответствует таким значениям напряжения, при которых все электроны, выбитые из катода достигают анода:
IH = en, где n - число фотоэлектронов вылетающих из катода за 1 с.
3. Опытным путем установлены следующие основные законы фотоэффекта внешнего:
1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяются частотой света и не зависит от его интенсивности.
2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света, при которой еще возможен внешний фотоэффект,ν0 зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.
3. Число фотоэлектронов n , вырываемых из катода за единицу времени пропорционально интенсивности света. (Фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода IH ~ E).
Опыты показали, что фотоэффект практически безинерционен. Фотоэффект не объясним с точки зрения волновой теории света.
4. А. Эйнштейн в 1905г. показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены с точки зрения предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет с частотой νне только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяются в пространстве и поглощаются веществом отдельными порциями (квантами)
Энергия одного кванта равна ε0 = hν.Таким образом, распространение света нужно рассматривать ни как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в производстве дискретных световых квантов, движущихсяся со скоростью с распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения назвали фотонами.
По Эйнштейну, каждый квант поглощается одним электроном число вырванных фотоэлектронов пропорционально интенсивности света (III закон фотоэффекта.) Безинерционность фотоэффекта объясняется тем, что передачи энергии при столкновении электрона с фотоном происходит почти мгновенно.
hν = Ав + …(8.2) Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта
Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить 1-й и 2-й законы фотоэффекта. Из формулы видно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (1-ый зак.). Т.к. с уменьшением частоты света Екин. фотоэлектронов уменьшается (для данного металла Авых = const), то при некоторой достаточно малой частоте ν =ν0 кинетическая энергия фотоэлектронов станет = 0 и фотоэффект прекратится (2-ой зак.). (8.3) - Это и есть красная граница фотоэффекта для данного металла. Она зависит от работы выхода электрона, т.е. от хим. природы вещества и состояния его поверхности.
Уравнение Эйнштейна может быть выражено (8.4)
(8.5)
Если интенсивность света очень большая (лазерный пучок), то возможен многофотонный (нелинейный) фотоэффект, при котором фотоэлектрон может одновременно получить энергию не от 1-го, а от Nфотонов (N = 2¸ 7). Тогда уравнение Эйнштейна примет вид:
Читайте также: