Законы фотоэффекта

4. Домашнее задание

4.2 Решение задач

Задача 1. Чему равен фактор Лоренца для электрона в атоме водорода на первой орбите? Применим ли нерелятивистский подход к описанию движения электрона?

Задача 2. Для исследования распределения электронов в атомах различных элементов используют так называемую мюонную спектроскопию. Мюоны низкой энергии (масса мюона в 207 раз больше массы электрона, заряд равен заряду электрона) внедряются в вещество, где они, притягиваясь к ядрам атомов, ведут себя подобно электрону в атоме водорода. Атом, состоящий из протона и мюона, называют мюоноводородом.
а) Найдите зависимость полной энергии мюона в мюоноводороде от радиуса круговой орбиты.
б) Используя правило квантования момента импульса мюона в атоме
L n=nћ, получите формулу для возможных значений энергии мюоноводорода.
в) Определите радиус первой (n=1) орбиты мюона, сравните с размером орбиты электрона в атоме водорода.
г) Выведите формулу для возможных значений энергии излучения мюоноводорода.
д) Чему равна энергия ионизации мюоноводорода (в электронвольтах)?

занятие 2.1.2

фотоэффект

1.2 Контрольные вопросы

1.2.1 Как исследуют состав света?

1.2.2 Чем по составу отличается свет рекламных газосветных трубок от света костра?

1.2.3 В чем заключается комбинационный принцип Ритца? Что такое терм?

1.2.4 Как представление об энергетических уровнях атома согласуется с существованием термов? Что собой представляет система термов атома водорода?

1.2.5 В чем состояли опыты Резерфорда? Перечислите результаты опытов?

1.2.6 Каковы трудности планетарной модели атомов по сравнению с моделью атома Томсона?

1.2.7 В чем состоит квантовая гипотеза Планка?

1.2.8 Перечислите постулаты Бора.

1.2.9 Перечислите этапы вывода энергетического спектра атома водорода.

2. Законы фотоэффекта

2.1 Явление фотоэффекта

В конце прошлого века Герц открыл явление разрядки отрицательно заряженных металлических тел при облучении их ультрафиолетовым светом.

У заряженного отрицательным зарядом электрометра вместо кондуктора установлен цинковый диск. При освещении диска светом от ртутной лампы (свет, которой содержит ультрафиолетовое излучение) электрометр разряжается. Если же начальный заряд электрометра положительный, то при освещении диска разрядка не происходит.

Вопрос 1. Какой можно сделать вывод из результатов опыта о взаимодействии света с поверхностью цинкового диска? О чем говорит тот факт, что положительно заряженный диск не разряжается при действии света, а отрицательно заряженный — разряжается?

Процесс разрядки отрицательно заряженного диска под действием света назвали фотоэффектом.

При замене цинкового диска медным эффект разрядки не наблюдался. Замена дисков, изготовленных из других материалов, показала, что в опытах с одними материалами разрядка происходит легко (даже видимым светом без примеси ультрафиолета), а с другими — не происходит.

Если металл облучать рентгеновским излучением, то явление разрядки диска имеет место для любых материалов.

Вывод. При освещении поверхности металлов ультрафиолетовым светом или рентгеновским излучением происходит вырывание электронов из металла. Металлы отличаются друг от друга пороговым значением длины волны излучения, при котором начинается вырывание.

Различают внутренний и внешний фотоэффект. Явление внешнего фотоэффекта заключается в вырывании электронов из поверхности материала при облучении видимым светом, ультрафиолетовым или рентгеновским облучением. Наблюдение явления осуществляется с помощью стандартной установки, которая представляет собой анод и облучаемый катод (фотокатод), расположенные в герметичном прозрачном корпусе, на которые подается от источника разность потенциалов. Ток вырываемых электронов (фототок) измеряется гальванометром. Фототок зависит и от интенсивности, и от длины волны излучения, и от разности потенциалов, подаваемой на электроды. Закономерности, проявляющиеся при фотоэффекте, устанавливают на описанной установке.

2.2 Ситуация. Термины

Даже если разность потенциалов между катодом и анодом равна нулю, при освещении фотокатода возникает фототок. При увеличении потенциала анода относительно катода фототок вначале увеличивается, а затем достигает постоянного установившегося значения, которое называют фототоком насыщения. Ток продолжается даже в случае, когда потенциал анода несколько ниже потенциала катода (когда на электроды подано запирающее напряжение, препятствующее фототоку). При некотором значении тормозящего напряжения фототок прекращается. Минимальное значение тормозящего напряжения, при котором прекращается фототок, называется запорным напряжением.

2.3 Законы фотоэффекта

Русский ученый Столетов провел тщательные исследования фотоэффекта и установил три закона, которые лежат в основе понимания физической природы явления.

Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на фотокатод.

Коэффициент пропорциональности определяется конструктивными особенностями экспериментальной установки и не является фундаментальной характеристикой явления.