Хід уроку. Тема: Світлові кванти. Рівняння фотоефекту

Урок № 4

Якісні вправи

V. Домашнє завдання:

Вивчити конспект, задачі.

Тема: Світлові кванти. Рівняння фотоефекту. Тиск світла.

Мета: 1) ввести поняття світлових квантів, розглянути рівняння фотоефекту;

2) формувати навички логічного мислення під час виводу рівняння для фотоефекту;

3) розширювати світогляд учнів, пояснюючи хімічну дію світла.

Обладнання: плакат.

І.Актуалізація опорних знань: (5хв)

Аналіз самостійної роботи.

ІІ. Мотивація навчальної діяльності: (10хв)

Суперечність між теорією й досвідом. Дата народження квантової теорії відома точно — це 14 грудня 1900 року. Цього дня німецький фізик М. Планк виступив на засіданні Німецького фізичного товариства з доповіддю, присвяченою проблемі розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла. Запропоноване ним розв'язання проблеми стало першим кроком у створенні сучасної фізики мікросвіту.

Тіло, що за будь-якої температури, яка не руйнує його, цілком поглинає всю енергію падаючого світла будь-якої частоти, називається абсолютно чорним тілом. Експериментальні дослідження показували, що розподіл енергії у спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла має вигляд, зображений на рис. 137. Однак аналітичний вигляд функції E_v = f(v), що відповідає цьому графіку, нікому не був відомий. Більше того, усі спроби вчених дістати експериментально цю функцію закінчувалися невдачею.

Рис. 137.

Улітку 1900 року англійський фізик Дж. Релей дійшов висновку, що енергія, яка припадає на певний інтервал частот, має зростати пропорційно квадрату частоти: E_v ~ v²T. Цей результат добре узгоджувався з експериментальними даними в галузі малих частот, але зовсім не відповідав їм за великих частот. Крім того, це означало б, що енергія абсолютно чорного тіла має майже цілком зосередитися в короткохвильовій частині спектра. Тоді будь-яка кімнатна піч була б нагромаджувачем смертоносного випромінювання. Миттєвого погляду у її відчинені дверцята було б достатньо, щоб допитливий потрапив на кладовище: він опинився б під дією небезпечних для життя ультрафіолетових, рентгенівських і γ-променів. Сформовану ситуацію назвали «ультрафіолетовою катастрофою».

ІІІ. Вивчення нового матеріалу: (50хв)

1. Гіпотеза Планка. Восени 1900року, зіставивши всі здобуті до цього часу результати, М. Планк зумів «угадати» формулу, що цілком відповідала експериментальній кривій. Для того, щоб вивести цю формулу, йому довелося пожертвувати класичними уявленнями та припустити, що енергія випромінювання складається з окремих малих і неподільних частин — квантів. Причому енергія такого кванта визначалася величиною Е = hv, де h — стала Планка.

За сучасними даними h = 6,626 • 10^-34 Дж·с.

Очевидно, що окремий квант має вкрай малу енергію. Не дивно, що у великих кількостях енергії її дискретна природа непомітна, оскільки невелика зміна кількості квантів виявляється замалою.

Однак у той час не було прямих експериментальних доказів існування квантів випромінювання. У результаті ідея Планка була сприйнята більшістю фізиків як спритний фокус, що не має серйозного наукового обґрунтування.

Після відкриття Планка почала розвиватися нова, найсучасніша та глибока фізична теорія — квантова теорія. Розвиток її не закінчився й дотепер.

2.Явище зовнішнього фотоефекту. Фотоефект був відкритий 1887 року Г. Герцем, а потім досліджений експериментально російським ученим А. Г. Столєтовим.

Фотоефект — явище виривання електронів із твердих і рідких речовин під дією світла.

Якщо вирвані електрони вилітають за межі речовини, фотоефект називається зовнішнім.

Цроробивши низку дослідів із фотоефекту (або переглянувши кадри відеофільму), можна дійти висновку: явище фотоефекту практично без-інерційне; інтенсивність фотоефекту залежить від виду металу, величини світлового потоку та спектрального складу випромінювання.

Закони фотоефекту. Закони фотоефекту були експериментально встановлені професором Московського університету А. Г. Столєтовим:

• сила фотоструму насичення прямо пропорційна інтенсивності світла, що падає на катод;

• максимальна початкова швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою;

• для кожної речовини існує мінімальна частота світла, називана червоною межею фотоефекту, нижче за яку фотоефект неможливий.

Закони фотоефекту прості за формою, але залежність кінетичної енергії електронів від частоти має загадковий вигляд.

Пояснення фотоефекту за допомогою хвильової теорії світла. Встановлені дослідним шляхом закони фотоефекту не вдалося пояснити на основі електромагнітної хвильової теорії світла. З точки зору цієї теорії електромагнітна хвиля, досягши поверхні металу, спричиняє вимушені коливання електронів, відриваючи їх від металу. Але, тоді потрібний час для «розгойдання» електронів, і за малої освітленості металу має виникнути помітне запізнення між початком освітлення і моментом вильоту електронів, а фотоефект практично безінерційний.

Крім того, кінетична енергія електронів, які залишають метал, має залежати від амплітуди змушуючої сили, а отже й від напруженості електричного поля в електромагнітній хвилі.

Квантове пояснення фотоефекту. У 1905 році А. Ейнштейн запропонував теорію, що давала пояснення відразу всій сукупності експериментальних фактів про фотоефект. Розвивши й поглибивши ідеї Планка, Ейнштейн дійшов висновку, що світло має не тільки випромінюватися й поглинатися, а також і поширюватися у вигляді окремих порцій енергії — квантів електромагнітного поля. Ці кванти інакше називаються фотонами.

Ейнштейн вважав, що під час взаємодії з речовиною фотон поводиться подібно до частинки та передає свою енергію не речовині в цілому й навіть не атомові, а тільки окремим електронам. Під час поглинання фотона металом його енергія E = hv передається вільному електрону. Вона витрачається на звільнення електрона з металу — на роботу виходу й на надання йому кінетичної енергії. При цьому енергія фотона передається електронові в металі тільки цілком, а сам фотон перестає існувати.

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту має вигляд: , де

hv — енергія поглиненого фотона; А — робота виходу електрона з металу; - кінетична енергія, з якою електрон залишає поверхню металу.

Рівняння Ейнштейна, можна розглядати як вираження закону збереження енергії для одиничного акту взаємодії фотона з електроном.

Воно дозволяє пояснити всі закони фотоефекту. Кінетична енергія фотона може бути виражена так:

, ф його швидкість - .

Звідси випливає, що максимальна кінетична енергія фотоелектрона, а отже, і його максимальна початкова швидкість залежать від частоти світла й не залежать від інтенсивності світла.

При рівності hv = A кінетична енергія й швидкість фотоелектрона дорівнюють нулю. У цьому випадку електрон ніби «випадає» з металу з нульовою швидкістю. Має місце поріг фотоефекту:

або

Інтенсивність світла прямо пропорційна числу фотонів п_ф та енергії кожного з них hv. Кожний фотон поглинається повністю тільки одним електроном. Тому кількість вирваних світлом фотоелектронів, а отже, й фотострум насичення пропорційні п_ф, тобто інтенсивності світла (перший закон фотоефекту).

ІV. Закріплення нового матеріалу: (10хв)

Якісні вправи

V. Домашнє завдання:

Вивчити конспект, задачі.

Дата добавления: 2014-01-04