1 ЗАВЕРШЕНИЕ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ В конце XIX

1

ЗАВЕРШЕНИЕ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам: 1. Больше 200 лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения. 2. Разработана МКТ. 3. Подведен прочный фундамент под термодинамику. 4. Завершена максвелловская теория электромагнетизма. 5. Открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса момента импульса, массы и электрического заряда). 2

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ НАЧАЛА XX В. В конце XIX - начале XX в. открыты: X-лучи (рентгеновские лучи, В. Рентген), явление радиоактивности (А. Беккерель), электрон (Дж. Томсон). Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления. Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятии пространства и времени. Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Дж. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных. 3

ГИПОТЕЗА П ЛАНКА (1900 Г. ) • 4

ПОСТОЯННАЯ П ЛАНКА. 10 -34 Дж. с h=6, 63 Иногда удобно измерять энергию и постоянную Планка в электронвольтах. Тогда h=4, 136. 10 -15 э. В. с. (1 э. В - энергия, которую приобретает элементарный заряд, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В. (1 э. В=1, 6. 10 -19 Дж). 5

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА Таким образом, М. Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория теплового излучения, после чего начала развиваться современная физическая теория, называемая физикой. квантовой 6

ЭТАПЫ ИЗУЧЕНИЯ ФОТОЭФФЕКТА: Открытие явления – 1887 год, Генрих Герц. Опытное доказательство – 1888 год, А. Г. Столетов. Теоретическое подтверждение – 1905 год, А. Эйнштейн. 7

Фотоэффект - явление испускания электронов с поверхности металла под действием света. Т. е. свет выбивает (вырывает)электроны из металла. 8

Н АБЛЮДЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА 9

СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФОТОЭФФЕКТА. Катод K Источник монохроматического света длины волны λ Кварцевое окошко Анод А Двойной ключ для изменения полярности • Стеклянный вакуумный баллон Электроизмерительные приборы для снятия вольтамперной характеристики Потенциометр для регулирования напряжения Источник напряжения U 10

П ЕРВЫЙ ЗАКОН ФОТОЭФФЕКТА Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. Т. о. фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку. 11

12

При таком значении напряжения сила тока в цепи анода равна нулю. I 0 Задерживающее напряжение (запирающее напряжение) При U > Uз в результате облучения электроны, выбитые из электрода, могут достигнуть противоположного электрода и создать некоторый начальный ток. 13

• 14

Световой поток, падающий на фотокатод увеличивается. Сила тока насыщения и, следовательно, число выбитых светом за 1 с электронов увеличивается: Iнас 2 > Iнас 1 Значение запирающего напряжения, а значит и кинетическая энергия электронов не меняется! 15

В ТОРОЙ ЗАКОН ФОТОЭФФЕКТА Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности падающего света. 16

ИДЕИ Э ЙНШТЕЙНА (1905 Г. ) Свет имеет прерывистую дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. Квант поглощается электроном целиком. Энергия кванта передается электрону. Энергия каждой порции излучения определяется формулой Планка E = hν, где h – постоянная Планка. 17

УРАВНЕНИЕ Э ЙНШТЕЙНА На основании закона сохранения энергии: • • Смысл уравнения Эйнштейна: • энергия кванта тратится на работу выхода электрона из металла и сообщение электрону кинетической энергии. В этом уравнении: - частота падающего света, m - масса электрона (фотоэлектрона), - скорость электрона, h - постоянная Планка, A - работа выхода электронов из металла. 18

• • • 19

РАБОТА ВЫХОДА Работа выхода - это характеристика материала (табличная величина). Она показывает, какую работу должен совершить электрон, чтобы преодолеть поверхностную разность потенциалов и выйти за пределы металла. Работа выхода обычно измеряется в электронвольтах (э. В). 20

• • 21

• Если частоту света увеличить, то при неизменном световом потоке запирающее напряжение увеличивается, а, следовательно, увеличивается и кинетическая энергия фотоэлектронов. • При частоте ν = ν min запирающее напряжение равно нулю. • При частоте ν < ν min фотоэффект отсутствует. • • 22

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота света больше минимального значения При < min ни при какой интенсивности волны падающего на фотокатод света фотоэффект не произойдет. • Т. к. , то минимальной частоте света соответствует максимальная длина волны. красная граница фотоэффекта 23

КРАСНАЯ ГРАНИЦА ФОТОЭФФЕКТА 24

ТРЕТИЙ ЗАКОН ФОТОЭФФЕКТА Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект ещё наблюдает При больших длинах волн фотоэффекта нет. Красная граница фотоэффекта – наибольшая длина волны, при которой наблюдается фотоэффект. Максимальной длине волны соответствует минимальная частота света. 25

Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. Например, у натрия A = 1, 9 э. В, что соответствует красной границе фотоэффекта λ кр ≈ 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах , предназначенных для регистрации видимого света. 26

ЗАКОНЫ ФОТОЭФФЕКТА: Количество фотоэлектронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. Кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света не зависит от интенсивности падающего света. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частот min , при которой еще возможен фотоэффект. 27

ν 1= ν 2 I 0 28

29

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала U з от частоты ν, равен отношению постоянной Планка h к заряду электрона e: • Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены Р. Милликеном (1914 г. ) и дали хорошее согласие со значением, найденным 30 Планком.