<<< ВСЕ МАТЕРИАЛЫ
11 класс. Виртуальный эксперимент
"Исследование фотоэффекта: Уравнение Эйнштейна".
Для дистантного обучения. © 2019. Смирнов Н.В.

                             
                   
                                               
                                                       
Материал катода
Длина волны света, нм 1000 760 600 570 540 490 460 380 240
Батарея
Напряжение,В
Мощность лампы, мВт
Исследование фотоэффекта: уравнение Эйнштейна.
Открытые А.Г. Столетовым законы фотоэффекта требовали своего объяснения.
Что такое ток насыщения и почему он зависит от интенсивности падающего света?
Почему кинетическая энергия выбитых электронов зависит от частоты падающего света и не зависит от интенсивности света, хотя казалось бы должно быть наоборот?
Каково происхождение "красной границы" фотоэффекта?
И наконец, какому уравнению подчиняется ток в установке Столетова?
Ответив на последний вопрос мы найдём ответы и на все остальные.
Представления о свете, как об электромагнитной волне, господствовавшие к началу ХХ века, не приводили к правильному результату и не давали сколько-нибудь приемлемого объяснения законов фотоэффекта. Напротив, вытекавшие из неё выводы, входили в прямое противоречие с результатами опытов
Однако, если предположить вопреки сложившемуся мнению, что свет есть поток частиц, а вовсе не волна, то тогда летящий фотон, по гипотезе М.Планка обладающий энергией hν, врезаясь в атом металла, вырывает из него электрон, совершая работу по отрыву электрона от атома металла (Авых), остаток своей энергии передаёт вырванному электрону в виде некоторого количества кинетической энергии. Если это так, то у А.Эйнштейна получилось замечательное по простоте и физической ясности объяснение, которое к тому же содержит в себе всю теорию фотоэффекта. Осталось только оформить его в виде уравнения:
hν = Авых + mv2/2.
Ток насыщения здесь зависит от числа электронов, а оно зависит как раз от числа падающих на катод фотонов, то есть от интенсивности света!
Кинетическая энергия фотоэлектронов - это остаток от энергии фотона (hν), после совершения работы выхода, то есть она линейно зависит от частоты падающего света, а вовсе не от его интенсивности!
Наличие для каждого вещества своей "красной границы" фотоэффекта обусловлено необходимостью предварительно потратить часть энергии фотона на работу выхода, свою для кадого металла. Если же энергия кванта меньше работы выхода, то электрон не отрывается от своего атома, а энергия фотона идёт на нагревание вещества. Мы посмотрим, в какой мере выполняется уравнение А.Эйнштейна на нашей модели.
Электронная модель установки Столетова. На рисунке слева вы видите стеклянную колбу, из которой откачан воздух для свободного движения электронов в колбе. В неё впаяны два электрода: левый назовём анодом (к нему будут лететь электроны), а правый - катодом (он будет излучать электроны под действием света). Металл катода виртуальной установки можно менять с помощью опции "Материал катода".
Цветной шарик с двумя лучиками символически обозначает источник света, цвет которого можно менять (включая инфракрасное излучение - крайняя метка слева, а также ультрафиолетовое - крайняя метка справа), кликая по цветным меткам.
Перемещать движок реостата можно, задавая напряжение на аноде с помощью опции "Напряжение" от 0 до 5 вольт. Можно также менять источник тока полюсами с помощью опции "Батарея". Таким образом можно подавать на анод не только положительное напряжение для разгона электронов, но и отрицательное для их торможения вплоть до запирающего напряжения Uзапир.
Миллиамперметр и вольтметр позволяют судить о силе тока и напряжении в этой установке.
С помощью опции "Мощность лампы" можно регулировать световой поток, падающий на катод.
Не забывайте каждый раз при внесении изменений в свой выбор нажимать кнопку "Принять изменения", вместе с этим будет появляться обновлённый график i(U).
Задание: Сравнить энергию фотона падающего света с суммой работы выхода из разных металлов и кинетической энергии фотоэлектронов.
Эксперимент: Выберём для начала цинк. Будем "освещать" таким светом, чтобы обязательно приосходил фотоэффект. Мы узнаем об этом по наличию фототока в цепи. Занесём в таблицу название металла и длину волны, при которой мы наблюдаем фотоэффект, а, необходимая нам работа выхода, уже занесена в нашу таблицу для каждого металла.
Заполним всю таблицу для нескольких металлов, соблюдая наименования, указанные в таблице.
Определите величину запирающего напряжения. Для этого влючите обратное напряжение в установке (знак"-" в опции "Батарея"), и вводите напряжения, начиная с 0, сначала через 1 вольт, а ближе к нулевому значению тока через 0.1 вольта. Когда ток в системе прекратится, это и будет запирающее напряжение Uзап. Занесите его в таблицу.
Теперь у нас есть все три величины: hν, Авых, Uзап, чтобы составить из них уравнение Эйнштейна: hν = Авых + mv2/2.
Запишите для каждого металла эти три величины в самой нижней строке таблицы. Если вы сделали всё правильно, вам не трудно будет убедиться, что сумма работы выхода из металла (в эВ) и запирающего напряжения (иначе, максимальной кинетической энергии фотоэлектронов в эВ) примерно равна энергии фотона (в эВ), вызывающего фотоэффект.

№ опыта 1 2 3 4 5
Металл катода цинк натрий литий калий цезий
Работа выхода, Авых(эВ) 4.2 2.5 2.4 2.2 1.88
Частота света "красной границы", ν (·1015 Гц)          
Цвет падающего света          
Частота падающего света, ν (·1015 Гц)          
Энергия падающего фотона, hν (эВ)          
Запирающее напряжение, Uзап (В)          
hν Авых Uзап                              
1. Что выражает собой уравнение Эйнштейна для фотоэффекта?
1. Явление интерференции света.
2. Явление дифракции света.
3. Явление дисперсии света.
4. Закон сохранения энергии.
5. Закон сохранения импульса.
Ответ №:
2. При каких условиях возникает фотоэффект? Выберите наиболее точный ответ из ниже перечисленных.
1. hν ≥ Авых.
2. hν < Авых.
3. hν = Авых.
4. hν > Авых.
5. Среди этих ответов неи правильного.
Ответ №:
3. При каких условиях возникает фотоэффект? Выберите правильный ответ из ниже перечисленных
1. Uзапe = mv2/2.
2. Uзапe > mv2/2.
3. Uзапe < mv2/2.
4. Uзапe ≥ mv2/2.
5. Среди этих ответов неи правильного.
Ответ №:
4. Найдите энергию фотоэлектронов (в эВ), если на натриевый катод падает свет с энергией кванта 3 эВ?
Ответ: эВ
5. Какова максимальная скорость фотоэлектронов по условию предыдущей задачи?
Ответ №: Мм/с
6. Какова максимальная скорость фотоэлектронов при облучении натрия фотонами с энергией 4·1019 Дж?
Ответ: Мм/с
7. Какова "красная граница" νкр фотоэффекта для натрия?
Ответ: ТГц
8. Какова "красная граница" λкр фотоэффекта для натрия?
Ответ: нм


U,B