Постоянная планка( уч.11кл.Стр.310)

См.выше «Тепловое излучение. Квантовая гипотеза Планка» (уч.11кл.стр.310)

Планк высказал гипотезу о том , что абсолютно черное тело испускает и поглощает свет определенными порциями – квантами(quantum – количество).

Планк предположил, что энергия излучения и его частота связаны друг с другом.

При этом излучение электромагнитных волн атомами и молекулами вещества происходит не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями – квантами (лат.quantum – количество)

Энергия излучения прямо пропорциональна его частоте:

E = hυ .

где h = 6.62*10^-34 Дж*с – постоянная Планка

Значение минимальной порции энергии – кванта – по теории Планка прямо пропорционально частоте света.

Энергия кванта: ε γ = hυ.

Планк получил формулу спектральной светимости:

rυ = (2πυ²/c²)*(hυ/ehυ/(kT) – 1) УТОЧНИТЬ

Фотоэффект (уч.11кл.Стр.314-317)

Фотоэлектрический эффект. Определение. Физика. Виды

Законы фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Кванты света (фотоны).

Применение фотоэффекта в технике.

Фоторезистор (пример)

Фотоэлектрический эффект - явление вырывания электронов из вещества под действием электро­магнитных излучений (в том числе и света)

Фотоэффект открыт в 1887 г. Генрихом Герцем, а затем исследовался экспериментально русским ученым А.Г.Столетовым, немецкими физиками В.Гальваксом, Ф.Ленардом и итальянским ученым А.Риви.

Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний.

При внешнем фотоэффекте вырванные электроны покидают тело, а при внутреннем -остаются внутри него.

Необходимо отметить, что внутренний фотоэффект наблюдается только в полупроводниках и диэлектриках.

Остановимся только на внешнем фотоэффекте.

Анод А и катод К помеща­ются в баллон, в котором создаётся высокий ва­куум. Катод наносится на подложку или на поверхность баллона. Анод в виде кольца или диска из никеля располагается в центре. Такой прибор называется фотоэлементом.

Если баллон наполнен инертным газом, то прибор называется газонаполненным, если в нем глубокий вакуум, то вакуумным.

Если на фотоэлемент свет не падает, то ток в цепи отсутствует, и амперметр показывает ноль. При освещении его светом достаточно высокой часто­ты амперметр показывает, что в цепи течёт ток.

При включении прибора в цепь внешнего источника в ней протекает фототок I_ф, зависящий от падающего на катод светового потока Ф и приложенного напряжения.

Вольт-амперная характеристика вакуумного фотоприбора с внешним фотоэффектом имеет зону насыщения, в которой изменение напряжения в широких пределах практически не влияет на фототек.

Световая характеристика I_ф = (Ф) отражает зависимость фототока от светового потока, падающего на фотокатод.

Для вакуумных приборов, работающих при напряжении насыщения, световая характеристика практически линейна.

В газонаполненных приборах фототок с ростом светового потока увеличивается более интенсивно.

Таким образом, чувствительность газонаполненных приборов является переменной величиной и при достаточно большом диодном напряжении в 5-10 раз выше чувствительности вакуумных приборов.

Чувствительность фотоэлектронных приборов – мА/Лм

Законы внешнего фотоэффекта (первоначально установлены опытным путём):

1. Число электронов, вырываемых из вещества, пропорционально интенсивности света. (Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на катод)

2. Наибольшая кинетическая энергия вылетающих электронов пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности. (Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности)

З. Для каждого вещества существует минимальная частота света υ₀, называемая красной границей фотоэф­фекта - ниже которой фотоэффект невозможен.

При частотах светового излучения ниже красной границы фотоэффекта фотоэлектронная эмиссия прекращается.

Фотокатод обладает различной чувствительностью к излучениям различной длины волны, что отражается его спектральной характеристикой.

Также установлена безиннерционность фотоэффекта – он возникает мгновенно после начала освещения при условии превышения красной границы.

Волновая теория света не в состоянии объяснить законы фотоэффекта.

Трудности в объяснении этих законов привели Эйнштейна к созданию квантовой теории света. Он пришёл к выводу, что свет представляет собой поток особых частиц, называемых фотонами (обозначается γ) или квантами.

Электромагнитная волна, по этой теории, состоит из отдельных порций – квантов(фотонов) с энергией hυ

Интенсивность света прямо пропорциональна числу фотонов N_ф и энергии каждого из них hυ. Каждый фотон поглощается целиком только одним электроном. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов, а значит и фототок насыщения I_н, пропорциональны N_ф, т.е. интенсивности света (первый закон фотоэффекта)

Энергия фотонов равна:

 = h

 - частота cвeтa

h - постоянная Планка.

Известно, что для вырывания электрона ему надо сообщить минималь­ную энергию, называемую работой выхода электрона A_вых, зависящую от вещества.

Если энергия фотона больше или равна работе выхода, то электрон вырывается из вещества, т.е. происходит фотоэффект.

Работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для удаления электрона из металла.

Вылетающие электроны имеют различ­ные кинетические энергии. Наибольшей энергией обладают электроны, вырываемые с поверхности вещества. Электроны же, вырванные из глуби­ны прежде, чем выйти на поверхность теряют часть своей энергии при соударениях с атомами вещества.

Найдем наибольшую кинетическую энергию W_km, которую приобретает электрон, используя закон сохранения энер­гии:

W_km =  - A_вых или =  - A_вых

где m и v_m – масса и наибольшая скорость электрона.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

энергия поглощённого фотона идет на совершение работы выхода электрона и сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии.

 = A_вых + W_km или hυ = A_вых + .

Уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта.

Первый закон внешнего фотоэффекта

Пусть на вещество падает монохроматический свет. Согласно квантовой теории, интенсивность света пропорциональна энергии, которая перено­сится фотонами, т.е. пропорциональна числу фотонов. Поэтому с увеличе­нием интенсивности света увеличивается число фотонов, падающих на вещество, а следовательно, и число вырываемых электронов.

Второй закон внешнего фотоэффекта

Из формулы hυ = A_вых + следует, что наи­большая кинетическая энергия фотоэлектрона зависят от частоты v света и от работы выхода A_вых, но не зависит от интенсивности света.

Кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты света линейно:

E_k = = h (υ - )

Кинетическая энергия всегда положительна. Это значит, что фотоэффект будет наблюдаться для частот:

υ ≥

По углу наклона графика E_k(υ) можно экспериментально определить значение постоянной Планка h.

Совпадение значений постоянной Планка, выведенной в теориях теплового излучения и фотоэффекта, подтверждает правильность предположения о квантовом характере излучения и поглощения света веществом.

Третий закон внешнего фотоэффекта

Из уравнения фотоэффекты вытекает вывод, что внешний фотоэффект возможен, если hυ  А_вых. Энергии фотона должно по крайней мере, хватить хотя бы на вырывание электрона без сообщения ему кинетической энергии.

Тогда красную границу υ₀ фотоэффекта находим из условия:

hυ₀ = А_вых  υ₀ =

Вакуумным фотоприборам с внешним фотоэффектом свойственна так называемая утомляемость - снижение чувствительности при длительном непрерывном освещении и нахождении под напряжением. Особенно сильно сказывается утомляемость в течение первых 100-150 ч работы.

Воздействие очень больших световых потоков на фотокатод, находящийся под напряжением, вызывает необратимое снижение его чувствительности и даже разрушение.

Фотоэффект используется в различных приборах для преобразования энергии света в энергию электрического тока или для управления электрическим током.

Простейшим прибором, работающим на основе фотоэффекта является вакуумный фотоэлемент. Фотоэлементы используются для воспроизведения звукового сопровождения, записанного на киноленту в виде звуковой дорожки.

ФОТОРЕЗИСТОР

ФОТОДИОД

ФОТОТРАНЗИСТОР

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА