ВУЗы по физике Готовые работы по физике Как писать работы по физике Примеры решения задач по физике Решить задачу по физике онлайн

Теория фотоэффекта эйнштейна


Для каждого материала фотокатода существует критическое значение частоты падающего света, ниже которой не возникает (красная граница фотоэффекта).

Этот закон проявляется так. Если падающий на фотокатод свет предварительно пропустить через светофильтр, то можно подобрать такой, что прошедший через него свет не вызывает фотоэффекта.

Энергия вылетающих из фотокатода электронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит только от частоты. Причем зависимость линейная.

Вопрос 1. Как с помощью описанной выше установки измерить кинетическую энергию вырванных фотоэлектронов?

1

7,0×1015

0,33

2

7,5×1015

0,66

3

8,0×1015

0,98

3

8,5×1015

1,31

Задача 1. В нижеприведенную таблицу занесены экспериментальные данные зависимости запорного напряжения от частоты падающего на фотокатод света. Определите по этим данным красную границу фотоэффекта для цинка. Первый столбец — номер опыта, второй — частота света w (с-1), третий — запорное напряжение U(В).
Указание: по приведенным данным постройте график зависимости энергии фотоэлектронов от частоты облучения, и из графика определите частоту и длину волны красной границы.

Явление фотоэффекта в истории физики было вторым по счету явлением, для объяснения которых потребовались квантовые представления. Это было начало квантовой физики.

3. Теория фотоэффекта Эйнштейна

В 1905 г была опубликована статья А. Эйнштейна “Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света”. В этой статье было дано первое объяснение законов фотоэффекта, основанное на квантовой гипотезе Планка. Физическая картина, лежащая в основе теории Эйнштейна, заключается в следующем.

1. Возбуждающий свет состоит из квантов с энергией ћw.

2. В поверхностный слой тела проникают кванты, и энергия их, по крайней мере частично, превращается в кинетическую энергию электронов.

3. Каждый электрон, покидая металл, должен совершить некоторую работу A (характерную для данного металла).

4. С наибольшей перпендикулярной составляющей скорости будут покидать тело те электроны, которые возбуждены у самой поверхности и получили только перпендикулярную добавку к скорости.

Математическое оформление этой картины выразилось в уравнении Эйнштейна для фотоэффекта:
(1)

Задача 2. Каждый из трех перечисленных выше законов разъясните на основе эйнштейновских представлений о фотоэффекте:
а) Почему фототок насыщения пропорционален световому потоку?
б) Почему существует красная граница фотоэффекта?
в) Почему энергия вылетающих электронов линейно зависит от частоты возбуждающего света?

Задача 3 [Маковецкий]. Кастрюля диаметром 20 см и высотой 15 см выставляется на свет так, что дно ее перпендикулярно лучам. Каждую секунду внутрь попадает двести миллиардов квантов (освещенность, создаваемая звездным безлунным небом). Спустя минуту, кастрюля мгновенно закрывается крышкой. Сколько квантов оказываются захлопнутыми внутри кастрюли? К какому из законов фотоэффекта имеет большее отношение эта задача?

Задача 4 [Квант 1993, 6.6]. Гелий-неоновый лазер, работающий в непрерывном режиме, дает излучение монохроматического света с длиной волны 630 нм, развивая мощность 40 мВт. Сколько фотонов излучает лазер за секунду?

Каждое вещество характеризуется работой выхода электронов и соответственно красной границей фотоэффекта. Ниже приведена таблица значений длин волн красной границы для ряда веществ.

Задача 5. Предложите экспериментальный способ измерения работы выхода электрона из вещества.

Вещество

l нм

Вещество

l нм

Алюминий

450

Медь

270

Барий

484

Натрий

540

Вольфрам

272

Свинец

310

Железо

287

Цезий

620

Магний

330

Цинк

290

Задача 6 [Квант 1993, 6.10]. Металлический шарик, отделенный от других тел, облучают монохроматическим светом с длиной волны 200 нм. Шарик, теряя фотоэлектроны, заряжается до потенциала 3 В. Определите работу выхода для материала шарика.

Задача 7 [Квант 1993, 6.15]. Квант с длиной волны l вырывает с поверхности металла фотоэлектрон, который описывает в однородном магнитном поле индукции B окружность радиусом R. Найдите работу выхода электронов из металла.

Явление фотоэффекта широко используется в науке и в технике. В технике с его помощью, например, можно создавать линии с автоматической регистрацией и пересчетом деталей. В научных установках с помощью фотоэффекта измеряют интенсивность светового потока, или изменяющимся световым потоком управляют действием какого либо устройства. Так считывание информации с компакт диска в компьютере производится путем регистрации светового потока, отраженного от диска. С помощью специальных устройств удается регистрировать отдельные фотоны.

Главной деталью в устройствах, использующих явление фотоэффекта, является фотоэлемент. Фотоэлемент имеет устройство, описанное выше (рисунок 2). Особенностью этого прибора является малая работа выхода для электронов фотокатода. Для уменьшения работы выхода катод покрывают слоем металла с малой работой выхода.

4. Домашнее задание

4.1 Теоретический материал

Проработать материал занятия по пособию. Дополнительно по учебнику Мякишева Г. Я., Буховцева Б. Б. “Физика 11”. §§66-69.

4.2 Решение задач

Задача 1 [Маковецкий]. Пустотелый шарик с внутренним диаметром 1 мм с абсолютно отражающей внутренней поверхностью и абсолютно прозрачным воздухом заполнен светом с длиной волны 555 нм, так что освещенность внутри равна 200 люкс (хорошая освещенность рабочей комнаты). Сколько квантов из шарика надо убрать, чтобы освещенность внутри упала вдвое? Освещенность в 1 люкс равна 1/683 Вт/м2.

Задача 2 [С13.5.2]. Две параллельные металлические пластины находятся в вакууме. На заземленную пластину падает поток ультрафиолетового излучения частоты n, которое выбивает с ее поверхности электроны. Ток этих электронов зависит от напряжения, подаваемого на вторую пластину, так, как изображено на графике. Определите из графика работу выхода электронов из пластины.

Задача 3. Предложите принципиальную схему защиты от бесплатного прохода пассажиров в метро (см. кадры из мультфильма “Ну! Погоди!”).

занятие 2.1.3

решение задач

1.2 Контрольные вопросы

1.2.1 В чем состоит явление фотоэффекта?

1.2.2 Что такое фототок насыщения? Как фототок насыщения зависит от интенсивности облучения?

1.2.3 Что такое красная граница фотоэффекта? Почему “красная”?

1.2.4 Что говорит уравнение Эйнштейна для фотоэффекта?

1.2.5 Что такое фотон? Перечислите свойства фотона.

1.2.6 Что такое фотоэлемент и где он может использоваться?

2. Решение задач о фотоэффекте

2.1 Фотоны

Задача 1 [Квант 1993, 6.3]. В среде распространяется свет, имеющий длину волны 3×10-5 см и энергию кванта 4.4×10-19 Дж. Чему равен показатель преломления среды?

Задача 2 [Квант 1993, 6.4]. Во сколько раз масса фотона инфракрасного света с длиной волны 800 нм меньше массы ультрафиолетового света с частотой n=1,5×1015 Гц?

Задача 3 [Квант 1993, 6.10]. Космический корабль, находящийся на околосолнечной орбите, раскрывает солнечный парус площадью 100 км2. Чему равна максимальная сила давления солнечного излучения на идеально отражающий парус? Интенсивность солнечного излучения вблизи паруса равна 1,4 кВт/м2.

Решение. Пусть pg импульс фотона: . При отражении фотона от паруса парус получает импульс равный 2pg. Сила светового давления равна скорости передачи импульса парусу.
(1)
где DN — число фотонов отражающихся от паруса в течение времени Dt. Если JE — световая энергия, падающая на парус в единицу времени, то DN=(JE/Eg)Dt. Очевидно, что JE=j×S, где j интенсивность света, данная в условии, S — площадь паруса. Таким образом, после суммирования всех рассуждений и подстановки соответствующих соотношений в уравнение (1) находим
(2)

Наташа

Автор

Наташа — контент-маркетолог и блогер, но все это не мешает ей оставаться адекватным человеком. Верит во все цвета радуги и не верит в теорию всемирного заговора. Увлекается «нефрохиромантией» и тайно мечтает воссоздать дома Александрийскую библиотеку.

Другие статьи


Распродажа дипломных

Скидка 30% по промокоду Diplom2020

А ты боишься COVID-19?

Пройди опрос и получи промокод