Примеры решения задач по теме «Фотоэффект»

Квантовые свойства света. Фотоэффект и его законы.

Применение фотоэффекта в технике

Свет излучается и поглощается не непрерывно, а определёнными порциями – квантами. Доказательством дискретности (прерывистой структуры) света является фотоэффект.

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Герцем в 1887г., экспериментально исследован Столетовым, а объяснён Эйнштейном в 1905г. Эйнштейн предположил, что свет не только излучается, но и поглощается отдельными порциями или квантами. А это значит, что свет – это поток частиц, т.е. свет имеет прерывистую структуру. Световую частицу называют фотоном. Энергия одного кванта (порции света) или фотона Е пропорциональна частоте излучения ν и определяется по формуле Планка: Е = h ν, где h = 6,63 ·10^-34Дж·с – постоянная Планка.

Согласно Эйнштейну энергия поглощённого веществом кванта h ν  идёт на совершение работы выхода А электрона из вещества и на сообщение этому электрону кинетической энергии :                    

                           hν = A + . Это уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

С помощью этого уравнения объясняются законы фотоэффекта, экспериментально открытые Столетовым:

Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду,       пропорционально поглощённой энергии света.

Чем больше световых квантов hν – энергии - поглотит вещество, тем больше вылетит из него электронов (см. уравнение).

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света.

Из уравнения следует  = hν – A, чем больше частота ν, тем больше кинетическая энергия  вырванных электронов (m и  v – масса и скорость электронов).

3.Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты ν _min (называемой красной границей фотоэффекта), то фотоэффект не происходит.

Для каждого вещества существует предельная (минимальная) частота ν _min – красная граница фотоэффекта, при которой происходит только работа выхода:

A = h ν _min (в этом случае кинетическая энергия =0).

Если энергия поглощённого кванта hν < A , т.е. частота света ν < ν _min, то фотоэффект не произойдёт.

Фотоэффект нашёл широкое применение в технике. Приборы, работающие на явлении фотоэффекта, называются фотоэлементами. Их используют в турникетах метро, системах защитной и аварийной сигнализации, фотоэкспонометрах, военной технике, системах связи, озвучивание кино и т.д.

 

Работа выхода электронов, эВ
Вольфрам	4,5	Платина	5,3
Калий	2,2	Серебро	4,3
Литий	2,4	Цинк	4,2

                                                     

Ответьте на вопросы:

1. Как излучается (поглощается) свет?

2. Что доказывает прерывистую структуру света (его дискретность)?

3. Что такое электрон?

4. Что называют фотоэффектом?

5. Что собой представляет свет с точки зрения Эйнштейна?

6. Как называют световую частицу?

7. Чему равна энергия фотона?

8. На что расходуется энергия фотона, поглощённого веществом? Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

9. Сформулируйте законы фотоэффекта.

10. Где применяется фотоэффект?

 

Примеры решения задач по теме «Фотоэффект»

1. Определите энергию кванта красного света (  = 0,8 мкм).

Найти:	Е	СИ
Дано:	= 0,8 мкм v = с = 3·108 h = 6,63 ·10 -34Дж·с	= 0,8·10-6 м = 8·10-7 м
Решение: Энергия кванта Е = h , частоту излучения можно найти из формулы  v = . Откуда . 1) ;   =  = 0,4  – это частота красного света 2) Находим энергию фотона красного света Е = h  = 6,63 ·10 -34Дж·с·  = 6,63·  Дж = 26,5  Дж = 2,65  Дж  =2,65  Дж – эта энергия слишком мала, но выражается достаточно громоздким числом. Поэтому в квантовой физике для измерения энергии используют электрон-вольты (эВ). 1 эВ(электрон-вольт) – это энергия, которую сообщает электрическое поле электрону при перемещении его из одной точки поля в другую, разность потенциалов (напряжение) между которыми 1 В. А = qU , где q = 1,6·10-19Кл, U = 1 В; А = 1,6·10-19Кл·1В = 1,6·10-19 Дж = 1эВ 1 эВ = 1,6·10 -19 Дж Переведём найденную энергию в эВ:  =  = 1,7 эВ. Как видно в эВ энергия выглядит компактнее! Ответ: энергия кванта красного света 1,7 эВ.

 

2. Какой кинетической энергий обладают электроны, вырванные из цинка под действием квантов с энергией 5эВ?

Найти:	Екин.	Решение:
Дано:	Е = 5 эВ А = 4,2 эВ	Запишем уравнение Эйнштейна для фотоэффекта hν = A + . Обозначим кинетическую энергию в формуле  = Екин., а энергию кванта hν = Е Тогда уравнение Эйнштейна можно переписать так: Е = А + Екин.. выразим из этой формулы кинетическую энергию электрона Екин. = Е – А Екин. = 5 эВ – 4,2 эВ = 0,8 эВ Ответ: энергия электронов, вырванных из цинка под действием излучения с энергией 5 эВ равна 0,8 эВ.

3. Произойдёт ли фотоэффект в платине под действием излучения с частотой

9·10¹⁵ Гц?

Найти:	Будет ли ?	Решение:
Дано:	= 0,65·1015 Гц А = 5,3 эВ h = 6,63 ·10 -34Дж·с	Фотоэффект произойдёт, если энергия поглощённого кванта будет больше работы выхода: hν > A - это условие фотоэффекта. 1) Найдём энергию кванта Е = hν Е = 6,63 ·10 -34Дж·с·0,65·1015 Гц = 4,3·10-19Дж. Переведём в эВ, для этого этот результат разделим на 1,6 ·10-19, Получаем энергию кванта в эВ: Е = 2,7 эВ 2) Проверим условие фотоэффекта. Для этого сравним полученную энергию кванта с работой выхода электронов из платины Е = hν = 2,7 эВ < А = 5,3 эВ, следовательно hν < А- условие фотоэффекта не выполняется, значит фотоэффект не произойдёт. Ответ: фотоэффект в платине под действием излучения с частотой 9·1015 Гц не произойдёт.

4. Какую максимальную кинетическую энергию приобретают электроны, вырванные из цинка под действием излучения с длиной волны 200 нм?

Найти:	Екин.	СИ
Дано:	А = 4,2 эВ =  = 200нм = h = 6,63 ·10 -34Дж·с v = c = 3·108	4,2·1,6·10 --19Дж = 6,72·10 --19Дж 200·10 -9 м = 2·10 -7 м
Решение: И уравнения Эйнштейна для фотоэффекта hν = A + Найдём кинетическую энергию  = h  – A 1) Найдём частоту излучения из формулы v = . Откуда .   = 1,5 ·1015 Гц 2) Находим кинетическую энергию фотоэлектронов  = h  – A.  = 6,63 ·10 -34Дж·с·1,5 ·1015 Гц – 6,72·10 --19Дж = 9,95·10 -19Дж– 6,72·10 --19Дж = (9,95 – 6,72)·10 --19Дж = 3,23·10 --19Дж или 2эВ Ответ: максимальная кинетическая энергия электронов, вырванных из цинка под действием излучения с длиной волны 200 нм равна 3,23·10 --19Дж или 2эВ.

 

Задачи для самостоятельного решения:

1. Определите энергию кванта жёлтого света, соответствующего длине волны 590 нм.

 

2. Какой кинетической энергий обладают электроны, вырванные из серебра под действием квантов с энергией 5 эВ?

3. Произойдёт ли фотоэффект в цинке под действием излучения с частотой

       9·10¹⁵ Гц?

4. Какой кинетической энергией обладают электроны, вырванные с поверхности калия, при облучении её  светом с частотой 6·10¹⁶ Гц?

 

5. Определите максимальную кинетическую энергию фотоэлектрона лития при освещении его светом с длиной волны 600 нм.

---

Дата добавления: 2021-04-05; просмотров: 613; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!