Ответы на задания и фото конспектов лекций можно прислать мне в ВК https://vk.com/id37784669 или на электронную почту don.i.moskalenko@gmail.com Большая просьба: делать фото крупным планом и ориентировать для прочтения. Урок 23-24 Тема урока: Гипотеза Планка о квантах. Фотоэффект. Фотон. Гипотеза Планка о квантах Гипотеза Планка — предположение, что атомы испускают электромагнитную энергию (свет) не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. Энергия каждой порции пропорциональна частоте излучения: Где h=6.63·10−34 Дж·с E=hν, — постоянная Планка, ν — частота света. Постоянная Планка (квант действия) — фундаментальная физическая константа. Введена М. Планком в 1900 г. Наиболее точное значение постоянной Планка h=6.626176(36)·10−34 Дж·с. h Чаще пользуются постоянной h= = 1.0545887(57)·10−34 Дж·с, также называемой 2π постоянной Планка. — это вторая из простых великих формул физики (первая — формула Эйнштейна, связывающая энергию покоя тела с его массой). После открытия Планка начала развиваться квантовая теория. Фотоны. Энергия и импульс фотона Фотон (обозначение — γ) — элементарная частица, квант электромагнитного поля. Развивая идею Планка об излучении электромагнитных волн квантами, А.Эйнштейн ввел гипотезу, согласно которой электромагнитное излучение само состоит из таких квантов, позднее названных фотонами. Это свойство света было названо корпускулярным. Масса покоя фотона равна нулю, следовательно, согласно СТО скорость его равна скорости света с, а энергия: E= hν = Е- энергия кванта света, Дж h= 6.6310−34 Дж·с- постоянная Планка с = 3· 108 м⁄с – скорость света ν = ν – частота света, Гц 𝜆- длина световой волны, м Из 𝒉𝒄 𝝀 , Дж 𝒄 𝝀 E= hν = находим выражение для импульса фотона 𝒉𝒄 𝝀 = pc 𝑬 𝒉𝝂 𝒄 𝒄 р= = = 𝒉 𝝀 , Дж или кг · м⁄с м ⁄с Импульс фотона направлен по световому лучу. Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и тем отчетливее выражены корпускулярные свойства света. Фотоэффект Макс Планк выдвинул гипотезу о дискретной природе света. Эта явление было подтверждено исследованиями, которые проводил Генрих Герц. Такое явление получило название – явление фотоэффекта. Изучил экспериментально и сформулировал законы фотоэффекта русский физик Александр Григорьевич Столетов Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света. Внутренний фотоэффект – это эффект, при котором оторванные от своих атомов электроны остаются внутри вещества и становятся свободными. Такой фотоэффект можно наблюдать в полупроводниках и некоторых диэлектриках. Опыты Столетова. Законы фотоэффекта Схема опытов и прибор Столетова по наблюдению фотоэффекта представлены на рисунке. Здесь С — два металлических диска, установленных параллельно друг другу (один — латунная или железная металлическая сетка, второй диск — сплошной). Диски соединены между собой проволокой, в которую введены гальваническая батарея В и чувствительный гальванометр с большим сопротивлением (5212 Ом), А — источник света (лампа с вольтовой дугой). Таким образом, две металлические пластины представляют собой конденсатор, причем металлическая сетка является положительной обкладкой конденсатора. Свет от дуги А через сетку попадает на отрицательно заряженную сплошную металлическую пластину. Из опытов Столетова следовало, что фототок через гальванометр сильнее всего растет при освещении ультрафиолетовыми лучами, сила фототока пропорциональна интенсивности освещения, и под действием света освобождаются только отрицательные заряды. При изучении фотоэффекта строят зависимость тока I от напряжения U, подаваемого к электродам, один из которых (исследуемый фотокатод) освещается светом. Из полученной зависимости I(U) следует, что при U=0 ток не равен нулю, а для того, чтобы ток стал равным нулю, необходимо подать некоторое напряжение обратной полярности (к освещенному электроду «+», к неосвещенному — «—»), которое называется задерживающим напряжением Uз и определяется максимальной кинетической энергией вылетающих электронов: 𝒎 𝒗𝟐 = e Uз. 𝟐 фотоэффекта В процессе исследования были установлены следующие закономерности. 1. Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. 2. Скорость электронов, вылетающих из тела при фотоэффекте, определяется его частотой ν и не зависит от интенсивности. 3. Для каждого вещества существует предельная наименьшая частота света νmin (красная граница фотоэффекта), при которой возможен фотоэффект. Излучение с частотой ν<νmin не вызывает явления фотоэффекта. Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить в рамках классической электромагнитной теории. Они имеют квантовый характер. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идею Планка о прерывистом испускании света. Согласно Эйнштейну, из явления фотоэффекта следует, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии E=hν сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком. Эта порция называется фотоном. Если фотон передает электрону энергию hν, большую или равную величине работы А по удалению электрона с поверхности металла, то электрон покидает поверхность этого металла. Разность между hν и А приведет к возникновению кинетической энергии электрона. Из закона сохранения энергии следует: 𝒎 𝒗𝟐 hν= A+ 𝟐 Эта формула называется уравнением Эйнштейна. Оно описывает все законы фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следует, что кинетическая энергия электрона линейно зависит от частоты ν и не зависит от интенсивности излучения. Поскольку общее число электронов n, покидающих поверхность металла, пропорционально числу падающих фотонов, падающего излучения. то величина n пропорциональна интенсивности 𝒎 𝒗𝟐 Красную границу фотоэффекта можно получить из (hν=A+ ), если скорость 𝟐 электрона, покидающего металл, приравнять к нулю: νmin= 𝑨 𝒉 то есть красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода А. Учитывая, 𝒄 что λmin= , получим значение предельной длины волны: 𝝂𝒎𝒊𝒏 λmin= 𝒄𝒉 𝑨 При длинах волн, больших λmin, т. е. расположенных ближе к красным волнам, фотоэффект не наблюдается. Отсюда и название предельной длины волны λmin — красная граница фотоэффекта. Домашнее задание 1. Что такое квант света? 2. Какой вид имеет формула для энергии одного фотона? 3. В чем состоит явление фотоэффекта? 4. Каковы условия существования фотоэффекта? 5. Что представляет собой фотон?