«Фотоны. Фотоэффект. Применение фотоэффекта»

Тема: «Фотоны. Фотоэффект. Применение фотоэффекта».

Цель: сформировать у учащихся представление о фотоне; помочь учащимся разобраться в устройстве и принципе работы фотоэлементов, а также некоторых устройств на их основе; на основе применения фотоэффекта показать значение науки для совершенствования производства, улучшения условий материальной и культурной жизни общества; познакомить учащихся с применением химического действия света; объяснить физическую природу давления света с точки зрения электромагнитной и квантовой теории.

Оборудование: презентация «Фотоны».

Ход урока.

Организационный момент.
Актуализация знаний.

А). Фронтальная беседа.

1. Что такое фотоэффект?

2. Кто открыл фотоэффект?

3. Кто изучал фотоэффект и какие законы установил?

4.Как и кем было объяснено явление фотоэффекта?

5. И чем состоит экспериментальное исследование, проведенное А.Г. Столетовым?

6.На графике видно, что сила фототока отлична от нуля и при нулевом напряжении. Почему?

7.Какое напряжение называется задерживающим?

8.На что расходуется энергия фотонов при фотоэффекте?

9.Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.

10.Что такое красная граница фотоэффекта?

11. Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Б). Решение задач.

1. Определите красную границу фотоэффекта для оксида бария

А_лых = 10 эВ А_вых=h_min

h =4,13610^-15эВ* с

λ-? ν-? с=λ * 

Ответ: 2,4*10¹⁴Гц, 1,2*10^-6м

2. Пример задания: А23, А25

А23. Длина волны, соответствующая красной границы фотоэффекта равна 800 нм. Если при облучении фотокатода лучами с определенной длиной, то волны кинетическая энергия выбитых электронов оказалась в три раза больше работы выхода, то длина волны равна

1) 200 нм 2) 267 нм 3) 400 нм 4) 1600 нм 5) 2400нм

А25. Если в среде с показателем преломления n = 1,5 длина волны излучения равна 500 нм, то энергия фотона равна.

1) 1,66 эВ 2) 2,47 эВ 3) 3,22 эВ 4) 4,70 эВ 5) 4,95 эВ

III. Изучение нового материала.

Итак, свет представляет собой локализованные в пространстве частицы, которые могут поглощаться и испускаться целиком. Эти частицы назвали фотонами.

Основные свойства фотона:

Является частицей электромагнитного поля. Легко зарождается и легко исчезает. Энергия фотона равна: Е=hν, Е=mс²
2) Отсутствует масса покоя (m₀ = 0 – покоящихся неподвижных фотонов не существует),

Масса фотона вычисляется m=hν/c²
3) Движется со скоростью света
4) Остановить фотон нельзя
5) Фотон не делится на части. Он испускается, отражается, преломляется, поглощается только целиком
6) импульс фотона

направлен по световому пучку, указывает на связь корпускулярных и волновых свойств света.

р – импульс частицы; v, – характеристика волны;
Фотон – ультрарелятивистская частица, в вакууме скорость света v=с, в веществе v=с/n, где n – показатель преломления среды.

Массу фотона следует рассматривать как полевую массу, обусловленную тем, что электромагнитное поле обладает энергией. Измерить массу фотона невозможно.

Объяснение законов фотоэффекта на основании гипотезы о существовании фотонов было большим успехом гипотезы, но не являлось ее строгим доказательством. Для доказательства существования фотонов, как обособленных в пространстве частиц, обладающих массой и импульсом, необходимо было экспериментально обнаружить взаимодействие отдельных фотонов с другими частицами. В 1922 году американскому физику А.Комптону экспериментально удалось наблюдать рассеивание рентгеновского излучения в веществе (графит, парафин). Представление о том, что электромагнитные волны состоят из элементарных частиц – фотонов, – является примером корпускулярно-волнового дуализма: в одних экспериментах ( интерференция, дифракция) свет проявляет себя как волна, в других ( фотоэффект, эффект Комптона) – как частица. В 1923 выдвинута гипотеза об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и другие частицы (например, электроны) наряду с корпускулярными обладают и волновыми свойствами. Таким образом, с каждым микрообъектом связаны корпускулярные характеристики – энергия E и импульс p – и волновые характеристики – частота ν и длина волны λ. Длина волны де Бройля микрообъекта равна: =h/р

а соответствующая ей частота ν =с/

Опыты по дифракции электронов и других частиц на кристаллах являются подтверждением гипотезы де Бройля. Мысленный эксперимент по дифракции электронного пучка на щели позволяет объединить волновые и корпускулярные свойства частиц (корпускулярно-волновой дуализм).

Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света. С его помощью можно совершенствовать производство, улучшать условия материальной и культурной жизни общества.

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами.

Фотоэлементы: I - устройство вакуумного фотоэлемента

Применение:

1. Кино: воспроизведение звука

2. Фототелеграф.

3. Фотометрия: для измерения силы света, яркости, освещенности.

4. Управление производственными процессами.

В настоящие время наибольшее распространение получили полупроводниковые фотоэлементы. Их действие основано на внутреннем фотоэффекте - образование в полупроводнике под действием света пар свободных носителей заряда.

II- внутренний фотоэффект используется в фоторезисторах. Фоторезистор – устройство, сопротивление которого зависит от освещенности. Механизм внутреннего фотоэффекта. При попадании излучения внутрь вещества происходят два явления. Одни кванты излучения, поглощаясь атомами (или ионами), увеличивают кинетическую энергию их теплового движения, поэтому вещество нагревается. Другие кванты излучения, поглощаясь атомами, производят фотоионизацию, в результате чего в веществе образуются дополнительные носители заряда – электроны проводимости и дырки. Их образование ведет к уменьшению электрического сопротивления. Используется при автоматическом управлении электрическими цепями с помощью световых сигналов и в цепях переменного тока.

Изменение сопротивления в зависимости от освещенности используется в фоторезисторах, приборах о которых упоминалось в 10 классе. На их основе созданы также различные автоматические устройства: фотореле, автоматы в метро. Подобного рода автоматы могут предотвращать аварии, подсчитывать различные предметы и т.д. Также существуют полупроводниковые фотоэлементы, которые под действием света создают ЭДС и могут являться источниками тока.

Такие элементы называются солнечными батареями, фотопреобразователями или фотодиодами. Изготовляются из кремния на основе р-п перехода. Такие фотоэлементы создают ЭДС порядки 0.5-0.8 В, а при последовательном соединение нескольких фотоэлементов можно получить любое напряжение. Это солнечные батареи на космических кораблях. Фотоэлементы малой мощности используются для измерения освещённости в фотоэкспонометрах. Фотодиоды используются также в составе сложных систем: автостоп в магнитофоне, охранные системы, воспроизведению записей с компакт- диска, дистанционное управление телевизором и магнитофоном и т. д.

Вентильный фотоэффект.

Полупроводниковый фотогальванический элемент – прибор , в котором образуется электродвижущая сила в электрическом переходе между разнородными полупроводниками при действии на него электромагнитного излучения. При поглощении кванта излучения электронным полупроводником освобождается дополнительная пара носителей заряда – электрон проводимости и дырка, которые движутся в разных направлениях: генерируемая дырка движется в сторону дырочного полупроводника, а генерируемый электрон проводимости – в сторону электронного полупроводника. В результате образуется избыток электронов проводимости в одном полупроводнике и избыток дырок в другом. Так на электродах фотоэлемента создается фотоэлектродвижущая сила. Используется в солнечных батареях, которые имеют КПД 12-16% и применяются в искусственных спутниках Земли, при получении энергии в пустыне.

Переносчик лучистой энергии – фотон, обладающий энергией hϑ. При попадании на вещество свет может оказывать и химическое действие. Энергия фотона видимого и ультрафиолетового диапазона излучений может расщепить молекулы. А это – химический процесс. Наиболее известные примеры такого светового действия – выцветание (ткани, обои, картины) и образование загара. Химическое действие света лежит и в основе фотографии.

Химическое действие света проявляется в том, что существует целый ряд химических превращений, происходящих только под действием света. Химические реакции, протекающие под действием света, называют фотохимическими. Многие фотохимические реакции играют большую роль в природе и технике. Важнейшие фотохимические реакции происходят в зеленых листьях деревьев и травы, в иглах хвои и во многих микроорганизмах. Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на составные части: углерод и кислород.

Процесс фотографирования – освещение чувствительного фотослоя пластинки или пленки и её последующая химическая обработка. Светочувствительный слой фотопластинки – кристаллики бромида серебра AgBr, внедренные в желатин. Под действием света происходит фотохимическая реакция разложения. Попадание световых квантов в кристаллик приводит к отрыву электронов от атома брома. Электроны захватываются ионами серебра, в кристаллике образуются нейтральные атомы. Распад молекулы происходит по схеме $latex: ~agbr + h \nu \to ag^* + br^+ + e^-,$ где Ag* — энергетически возбужденный атом серебра. Вr⁺ — положительный ион брома, e^- — электрон. Под действием проявителя бром растворяется, а оставшиеся атомы серебра дают негативное изображение. Металлическое серебро выделяется, образуя скрытое изображение.

Для получения кадра необходимо фотопластинку химически обработать: проявить, промыть, поместить в фиксаж (закрепить изображение), ещё раз промыть – и негативное изображение готово! Оно обратно реальному объекту по свету и теням. Наиболее засвеченные места фотопластинки чернеют больше, мало освещенные меньше. Место светлых участков занимают темные и наоборот. Для получения фотоснимка пластину накладывают на фотобумагу и после освещения и аналогичной обработки получают позитивное изображение.

Слово «фотография» произошло от греческих «фото» - свет и «графо» - пишу, рисую. То есть фотография – рисование светом, светопись.

Давление света теоретически предсказал Дж. Максвелл (1873 г), а экспериментально его обнаружил и измерил русский ученый Лебедев. Этот факт проявляется во Вселенной и играет определенную роль в эволюции звезд и протекании некоторых других астрофизических процессов. Под действием электрического поля волны, падающей на поверхность тела, свободные электроны движутся в сторону, противоположную вектору Е. На движущийся электрон действует сила Лоренца F, направленная в сторону распространения волны. Суммарная сила, действующая на электроны поверхности тела, и определяет силу светового давления. Опыт Лебедева.

Квантовая теория позволила объяснить причину возникновения светового давления. Фотоны, подобно частицам вещества, имеющим массу покоя, обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Согласно закону сохранения импульса импульс тела становится равным импульсу поглощенных фотонов. Поэтому покоящее тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила.

IV. Закрепление изученного материала.

А). Беседа по вопросам.

1.Фотон что это?
2. К какому виду электромагнитных изучений принадлежат лучи энергия фотонов, которых равна работе выхода для оксида бария? Запишите ответ.
3.Запишите выражение для массы и импульса фотона?

4. Чему равна масса покоя фотона, что это означает? Запишите.

5. Корпускулярно-волновой дуализм. - общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне. Докажите.

6.Где применяется фотоэффект?

7.К каким выводам пришли ученые относительно природы света после открытия фотоэффекта?

8.Можно ли фотографировать предметы в совершенно темной комнате? (Можно в ультрафиолетовых или инфракрасных лучах).

9. Почему фотоснимки проявляют при красном освещении? (Красный свет не действует на фотоэмульсию малой чувствительности)

10. Почему перекись водорода сохраняют в склянках из железного стекла? (Лучи, близкие к фиолетовому концу спектра, химически более активны, они хуже проходят через желтое стекло)

11. Почему на снимках, сделанных в инфракрасных лучах, зеленая растительность получается белой? (Зеленая растительность не поглощает инфракрасных лучей, а отражает и рассеивает их)

12. Почему хвост кометы направлен в сторону, противоположную Солнцу?

Б). Решение задач.

Задача 1. Определить длину волны красной границы фотоэффекта для серебра. Работа выхода для серебра равна 6,9·10 ^-¹⁹ Дж .

Задача 2. Определить кинетическую энергию электронов, вылетающих из калия (А=3,5·10^-19 Дж) при его освещении лучами длиной волны 3,4*10^-7 м.

Задача 3. На поверхность вольфрама, работа выхода электрона из которого равна 7,2*10 ^-19Дж, падают лучи длиной волны 250нм. Определить скорость фотоэлектрона и его кинетическую энергию (m = 9,1·10 ^-³¹ кг.)

Задача 4. Работа выхода электрона из бария равна 3,9*10 ^-19Дж. Скорость фотоэлектронов 3·10⁵ м/с. Определить длину световой волны и красную границу фотоэффекта.(m =9,1·10 ^-³¹ кг.)

Задача 5. Длина волны света, соответствующая красной границе фотоэффекта, для некоторого металла 275 нм. Найти максимальную скорость электронов, вырываемых из металла светом длиной волны 180 нм.

Задача 6. Найти частоту света, вырывающего из металла электроны, которые полностью задерживаются разностью потенциалов 3 В. Красная граница фотоэффекта для данного металла 6·10¹⁴ Гц.

Итог урока.

VI. Домашнее задание: § 89,90,91, 92.