Лабораторная работа № 6. ОПИСАНИЕ

Фотоэффект.

C:\www\doc2html\work\content\models\fotoef.htmlРабочее окно

Вид рабочего окна приведен на Рис. 3.1. В рабочем окне приведена модель фотоэффекта. В нижней части окна расположены кнопки теста. В левом окне над кнопками фиксируется число попыток, а в правом вводятся рассчитанные параметры. В верхнем положении переключателя это работа выхода, а в нижнем - масса фотона. Справа вверху расположен переключатель интенсивности света, а под ним движок для изменения длины волны. Под движком - окно, в котором выводится значения дины волны. При нажатии на кнопку Тест случайным образом задается длина волны, при которой будет наблюдаться фотоэффект.

Рисунок 3.1.

Передвижением движка подбирают длину волны, при которой наблюдается фотоэффект. Проведя соответствующие расчеты, находят работу выхода и массу фотона. При нажатии на кнопку Проверить проверяется правильность рассчитанных величин. Если число попыток превышает 3, проверка становится недоступной и снова надо нажать кнопку Тест.

Для открытия рабочего окна нажмите на его изображение.

Лабораторная работа № 6. Теория

Фотоэффект.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: На примере фотоэффекта дать представление студентам о корпускулярных свойствах света. Используя модель явления, наглядно продемонстрировать, что проявляемые в фотоэффекте свойства, не могут быть объяснены на основе волновых представлений.

Свет – электромагнитная волна, т.е. распространение в пространстве колебаний электромагнитного поля, вызванных ускоренным движением заряженных частиц. Излучение характеризуется длиной волны λ, частотой ν и скоростью распространения c (c=3*10⁸ м/с), причем λ = c/ν. Явления интерференции, дифракции, поляризации и дисперсии света, хорошо объясняются на основе волновой теории. Но ее использование при создании теории теплового излучения нагретых тел, фотоэффекта и ряда других явлений вело к противоречиям. Для теплового излучения, теоретические спектры излучения нагретых тел не совпадали с полученными в экспериментах. По теоретическим расчетам получалось, что любое нагретое тело должно излучать бесконечную энергию в ультрафиолетовой и рентгеновской области спектра. В теории теплового излучения эта проблема получила название "Ультрафиолетовой катастрофы". Проблему разрешил Макс Планк, сумев дать теоретическое объяснение спектрам излучения и поглощения нагретых тел на основании предположения о дискретном, скачкообразном характере излучения и поглощения электромагнитных волн.

Электромагнитные волны при взаимодействии с атомами и молекулами излучаются и поглощаются порциями – квантами, энергия каждого кванта пропорциональна частоте волны: Е = hν, где h – постоянная Планка (h = 6,626*10^-34 Дж/Гц).

Эйнштейн развил идею Планка и стал рассматривать световой поток как поток частиц (фотонов) не только при испускании, но и при распространении и поглощении света. Фотон – материальная, электрически нейтральная частица с энергией Е = hν. Поскольку E = mc² , то m = hν/c², где m – масса фотона, эквивалентная его энергии. Фотон, как квант электромагнитного поля, движется в вакууме со скоростью с, остановить его невозможно, он существует только в движении, его масса покоя равна нулю. Импульс фотона p = mc = E/c = h/λ, так как c = λν.

C:\www\doc2html\work\bestreferat-411759-14098678075836\content_t.html

Фотоэффект – испускание с поверхности некоторых металлов электронов под воздействием света. Проявляется фотоэффект, начиная только с определенной частоты света, зависящей от конкретного металла. Кинетическая энергия (скорость фотоэлектронов) зависит только от частоты света, но не зависит от его интенсивности, тогда как число электронов пропорционально интенсивности света. На основе закона сохранения энергии Эйнштейн записал уравнение фотоэффекта: hν = mv²/2 + A, где A – работа выхода, необходимая для преодоления силы, удерживающей электроны в металле. Т.е. энергия кванта света hv, поглощенная электроном на поверхности металла, расходуется на работу выхода А электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии mv²/2. Значит, энергия электрона равна энергии фотона за вычетом работы выхода, а количество электронов зависит от количества падающих фотонов. Если энергия кванта hν₀ = А, фотоэффект возникает, если меньше – нет. Частота ν₀ называется красной границей фотоэффекта. Т.е., свет взаимодействует с электронами металла как частица.

Наличие импульса у фотона, предсказанное еще Дж. Максвеллом (1873), было подтверждено экспериментально П.Н. Лебедевым (1900) измерением светового давления. При этом его величина совпала с предсказанной с хорошей точностью. Эффект Комптона (1923) подтверждает квантовую природу света во взаимодействии фотона со связанным в атоме электроном. При исследовании рассеяния рентгеновского или γ – излучения А. Комптон установил, что при прохождении его через вещество регистрируются излучение с большей длиной волны. Это можно объяснить, если только представить пучок лучей фотонами - частицами, упруго сталкивающимися со слабо связанными электронами и передающими им импульс.