Тема урока:  Внешний фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Внутренний фотоэффект. Применение фотоэффекта.

Раздел: Элементы квантовой физики.

Цель урока: формирование знаний о квантовой природе света на примере явления фотоэффекта.

Задачи урока:

Образовательные: ознакомить обучающихся: с явлением фотоэффекта; с историей его открытия и законами фотоэффекта;  объяснить физическую природу этого явления;

Воспитательные: воспитывать внимание, чувство ответственности, продолжить работу по формированию у учащихся добросовестного отношения к учебному труду и положительных мотивов учения, прививать интерес к учебной дисциплине.

Развитие мышления: способствовать формированию информационной культуры учащихся и развитию умения анализировать, сравнивать, делать выводы.

Вид урока: изучение нового материала.

Тип урока: комбинированный.

Оборудование: презентация, созданная с помощью средств Microsoft Power Point (приложение); компьютер, экран, мультимедиапроектор.

Наглядные пособия: видеофрагменты с демонстрацией явления фотоэффекта, его законов, презентация к уроку.

Методическая цель: использование информационных технологий при изучении нового материала, рациональное использование современных и традиционных методов обучения.

Ход урока

1. Организационный момент.
2. Активизация знаний учащихся.

Преподаватель: Сегодня мы приступаем к новому разделу физики — квантовая физика. Каждому современному человеку важно знать о тайнах квантовой современной физики, хоть немного представлять, до каких глубин мироздания докопались сегодня ученые. Во второй половине Х1Х-начале ХХ века учеными были открыты атомы, ядра атомов, электроны и некоторые другие микрочастицы. Эти физические объекты имеют размеры 10^-12 – 10^-15 м и меньше. Мир малых частиц называют микромиром. Проникнув в микромир, люди узнали много нового. Известные тогда законы механики и электродинамики не объясняли некоторые открытые явления микромира. Так, опираясь на эти законы, нельзя объяснить, почему атом, состоящий из ядра и электронов, устойчив? Почему атомы излучают свет определенных частот? Накопился ряд опытных фактов, которые не смогла объяснить физическая теория этого времени.

В конце XIX — начале XX в. открыты:

• X-лучи (рентгеновские лучи, В. Рентген),
• явление радиоактивности (А. Беккерель),
• электрон (Дж. Томсон).

Как объяснить новые экспериментальные факты? Каким новым законам подчинено движение микрочастиц? Классическая физика не сумела объяснить эти явления.

В спорах ученых и борьбе научных мнений возникли и получили развитие новые физические идеи: о дискретных уровнях энергии атомов, о волновом характере движения микрочастиц, о квантовой природе света. Они и легли в основу новой области физики – квантовой. Квантовая физика – это раздел современной физики, в котором изучаются свойства, строение атомов и молекул, движение и взаимодействие микрочастиц. Запишите данное определение.

   Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Д. 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.

   Давайте вспомним инфракрасное излучение: нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Однако повседневный опыт показывает, что ничего подобного не происходит. Как же объяснить возникшее противоречие?

В поисках выхода из этого противоречия  немецкий физик Макс Планк  предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию порциями — квантами.

3. Изучение нового материала.

Преподаватель: Сегодня вы познакомитесь с явлением, которое доказало, что гипотеза Планка  верна.

Запишем тему урока. На этом уроке вы не только узнаете, что такое фотоэффект, но и попробуете объяснить физическую природу этого явления, а также установить законы, которым оно подчиняется, и познакомимся с новой теорией, объясняющей природу света и невидимых лучей.

Явление фотоэффекта было открыто случайно в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем, когда он исследовал электрические колебания. Для проведения опыта он использовал электроскоп с присоединённой к нему цинковой пластинкой. Заряженную пластинку он освещал мощным источником света и обнаружил интересные моменты. Сейчас и мы, благодаря видеофрагменту, сможем увидеть то, что в те далёкие годы увидел Герц.

Преподаватель: Прошу вас быть внимательными.

Преподаватель демонстрирует видео-фрагменты опытов Герца (наблюдение фотоэффекта).

Преподаватель: пластинка из какого  металла использована в опыте?

Студент: В опыте использовалась цинковая пластина.

Преподаватель: Когда начинает разряжаться электрометр?

Студент: Сразу после попадания на него света.

Преподаватель: Что происходило с цинковой пластинкой, заряженной отрицательно, при облучении ее ультрафиолетовым светом?

Студент: Если пластину зарядить отрицательно, то при облучении её светом она быстро теряла свой заряд.

Преподаватель: Что происходило с цинковой пластинкой, заряженной положительно, при облучении ее ультрафиолетовым светом?

Студент: Если пластину зарядить положительно, то освещение пластины источником ультрафиолетовых  лучей не влияла на быстроту разрядки пластины.

Преподаватель: Наблюдалось ли подобное явление при облучении пластины ультрафиолетовым светом, проходящим через стекло?

Студент: При облучении пластины ультрафиолетовым светом, проходящим через стекло, подобного явления не происходило.

Преподаватель: Почему же разряжается цинковая пластина, заряженная отрицательно при освещении ее  светом и не разряжается положительно заряженная цинковая пластина при освещении ее  светом?

Студент: По всей видимости, с поверхности цинковой пластинки под действием ультрафиолетовых лучей начинали вылетать электроны, а т.к. они несут отрицательный заряд, то они отталкиваются от отрицательно заряженной пластинки и это приводит к уменьшению заряда на электрометре. Если же пластина заряжена положительно, то вырванные электроны притягиваются к ней, и её заряд не изменяется.

Преподаватель: Всё верно, молодцы. Данное явление получило название фотоэффекта. Запишите определение: явление выхода (вырывания) электронов из вещества под действием света называется фотоэлектрическим эффектом – фотоэффектом. И еще одно очень важное замечание, на которое я хочу обратить ваше внимание: если электроны, вырванные светом, покидают вещество, то такой фотоэффект называют внешним. Но существует ещё и внутренний фотоэффект. Предлагаю вам посмотреть видео-демонстрацию внутреннего фотоэффекта.

Демонстрация  видео-фрагмента о внутреннем фотоэффекте.

Преподаватель: В чём отличие внутреннего фотоэффекта от внешнего?

Студент: При внутреннем фотоэффекте электроны не покидают вещество, в результате в веществе изменяется концентрация носителей заряда и их подвижность, что приводит к изменению электрических свойств вещества под действием падающего на них света.

Преподаватель: Этот вид фотоэффекта присущ только полупроводникам и диэлектрикам. Запишите определение внутреннего фотоэффекта.

Внутренний фотоэффект — процесс образования свободных носителей заряда внутри вещества при воздействии излучения.

Количественные закономерности фотоэффекта были установлены русским физиком А.Г. Столетовым. Для этого он использовал установку, схема которой перед вами:

• 

Преподаватель: Предлагаю вам посмотреть фрагмент видео, в котором рассмотрены опыты Столетова.

Демонстрация видео-фрагмента «Фотоэффект. Опыты и законы»

Преподаватель: Итак, вы познакомились с опытами Столетова, результатом которых стали законы:

1 закон: Число электронов, выбиваемых за 1 с из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

Преподаватель: Чтобы убедиться в справедливости этого закона, посмотрим видео-фрагмент.

Демонстрация видео-фрагмента «1 закон»

Преподаватель: Запишите в тетрадях 1 закон фотоэффекта.

Преподаватель: В чём суть второго закона фотоэффекта? Перед вами график, на котором представлена зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света.

• 

Преподаватель: Что вы можете сказать об этой зависимости?

Студент: с ростом частоты падающего света увеличивается и кинетическая энергия. 

Преподаватель: Да, всё верно. Можно добавить следующее: так как кинетическая энергия электронов определяется скоростью их движения, следовательно, при увеличении  частоты падающего света растёт и скорость вырванных электронов.

В этом и заключается 2 закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Запишите его формулировку.

Преподаватель: И, наконец, третий закон. Предлагаю посмотреть видео-опыт.

Демонстрация видеофрагмента «3 закон фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта»

Преподаватель: Каждому металлу соответствует своя красная граница фотоэффекта, т.е. граничная частота или длина волны, при которой наступает у этого металла фотоэффект. Запишите в тетради 3 закон фотоэффекта.

Преподаватель: Как же определить красную границу? Минимальную частоту или максимальную длину волны, при которой фотоэффект будет происходить, можно вычислить по формулам:

Преподаватель: Запишите формулы для определения красной границы фотоэффекта в свои тетради.

Преподаватель: Следует заметить, что работа выхода электронов из металлов является характеристикой материала, поэтому красная граница фотоэффекта у каждого металла своя. Работа выхода обычно измеряется в электронвольтах (эВ). Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта λкр ≈ 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.

При исследовании законов фотоэффекта было выяснено, что это явление практически безынерционное, фотоэффект возникает при освещении металла практически мгновенно (через 10^-9с с момента освещения).

Итак, вам теперь известно, что такое фотоэффект. Как можно было бы объяснить фотоэффект с точки зрения классической электродинамики и волновых представлений о свете?

Известно, что для вырывания электрона из вещества требуется сообщить ему некоторую энергию, называемую работой выхода электрона. В случае свободного электрона в металле это работа по преодолению поля положительных ионов кристаллической решётки, удерживающего электрон на границе металла. В случае электрона, находящегося в атоме, работа выхода есть работа по разрыву связи электрона с ядром. В переменном электрическом поле световой волны электрон начинает совершать колебания.   И если энергия колебаний превысит работу выхода, то электрон будет вырван из вещества.

Однако в рамках таких представлений невозможно понять второй и третий законы фотоэффекта. Действительно, почему кинетическая энергия выбитых электронов не зависит от интенсивности излучения? Ведь чем больше интенсивность, тем больше напряжённость электрического поля в электромагнитной волне, тем больше сила, действующая на электрон, тем больше энергия его колебаний и с тем большей кинетической энергией электрон вылетит из катода. Логично? Логично. Но эксперимент показывает иное.

Далее, откуда берётся красная граница фотоэффекта? Чем «провинились» низкие частоты? Казалось бы, с ростом интенсивности света растёт и сила, действующая на электроны; поэтому даже при низкой частоте света электрон рано или поздно будет вырван из вещества — когда интенсивность достигнет достаточно большого значения. Однако красная граница ставит жёсткий запрет на вылет электронов при низких частотах падающего излучения.

Кроме того,  безынерционность фотоэффекта неясна.. Именно, при освещении катода излучением сколь угодно слабой интенсивности (с частотой выше красной границы) фотоэффект начинается мгновенно — в момент включения освещения. Между тем, казалось бы, электронам требуется некоторое время для «расшатывания» связей, удерживающих их в веществе, и это время «раскачки» должно быть тем больше, чем слабее падающий свет. Аналогия такая: чем слабее вы толкаете качели, тем дольше придётся их раскачивать до заданной амплитуды.

Выглядит опять-таки логично, но опыт — единственный критерий истины в физике! — этим доводам противоречит.

Так на рубеже XIX и XX столетий в физике возникла тупиковая ситуация: электродинамика, предсказавшая существование электромагнитных волн и великолепно работающая в диапазоне радиоволн, отказалась объяснять явление фотоэффекта.

Выход из этого тупика был найден Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он нашёл простое уравнение, описывающее фотоэффект. Все три закона фотоэффекта оказались следствиями уравнения Эйнштейна. Главная заслуга Эйнштейна состояла в отказе от попыток истолковать фотоэффект с позиций классической электродинамики. Эйнштейн привлёк к делу смелую гипотезу о квантах, высказанную Максом Планком пятью годами ранее.

Успешность гипотезы Планка наводила на мысль, что законы классической физики неприменимы к малым частицам вроде атомов или электронов, а также к явлениям взаимодействия света и вещества. Подтверждением данной мысли как раз и послужило явление фотоэффекта.

Гипотеза Планка говорила о дискретности излучения и поглощения электромагнитных волн, то есть о прерывистом характере взаимодействия света с веществом. При этом Планк считал, что распространение света — это непрерывный процесс, происходящий в полном соответствии с законами классической электродинамики.

Эйнштейн пошёл ещё дальше: он предположил, что свет в принципе обладает прерывистой структурой: не только излучение и поглощение, но также и распространение света происходит отдельными порциями — квантами, обладающими энергией. Эти кванты впоследствии стали называть фотонами. Фотоны могут обмениваться энергией и импульсом с частицами вещества; в таком случае мы говорим о столкновении фотона и частицы. В частности, происходит столкновение фотонов с электронами металла катода.

Поглощение света — это поглощение фотонов, то есть неупругое столкновение фотонов с частицами (атомами, электронами). Поглощаясь при столкновении с электроном, фотон передаёт ему свою энергию. В результате электрон получает кинетическую энергию мгновенно, а не постепенно, и именно этим объясняется безынерционность фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта есть не что иное, как закон сохранения энергии. На что идёт энергия фотона при его неупругом столкновении с электроном? Она расходуется на совершение работы выхода  по извлечению электрона из вещества и на придание электрону кинетической энергии:

Преподаватель: Вот такое замечательное по простоте и физической ясности уравнение, содержащее в себе всю теорию фотоэффекта. Запишите себе в тетрадь уравнение Эйнштейна и его смысл.

Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов. Фотон – световая частица, движущаяся со скоростью 3⋅10⁸ м/с, обладающая энергией и импульсом. Запишите формулы для энергии и импульса фотона:

Преподаватель: Получается, что мы вновь вернулись к корпускулярной теории света Ньютона. Позднее,  в начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма. Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики.

4. Первичная проверка знаний

Преподаватель: Сейчас япредлагаю выполнить самостоятельную работу на оценку. Вам будет предложено 10 вопросов. Итак, внимание на экран.

1. Установите соответствие:

Фотоэффект —	А. Напряжение, при котором величина фототока равна нулю.
Фотоэлектрон —	Б. Максимальное значение фототока.
Ток насыщения —	В. Электрон, вырванный светом из катода.
Задерживающее напряжение —	Г. Явление вырывания электронов из вещества под действием света.

2. В каком случае электроскоп, заряженный отрицательным зарядом, быстрее разрядится?

А. при освещении инфракрасным излучением;

Б. при освещении ультрафиолетовым излучением;

В. при освещении рентгеновским излучением.

3. Цинк заряжен положительно. Как изменится его заряд в результате фотоэффекта?

А. не изменится;

Б. увеличится;

В. уменьшится.

4. При уменьшении интенсивности света количество вырываемых фотоэлектронов…

А. не изменяется;

Б. увеличивается;

В. уменьшается.

5. Как изменится кинетическая энергия электронов при фотоэффекте, если увеличить частоту облучающего света, не изменяя общую мощность излучения?

А. увеличится;

Б. уменьшится;

В. не изменится.

6. Как изменится максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов при увеличении частоты света?

А. не изменится;

Б. увеличится;

В. уменьшится.

7. Практическая безынерционность фотоэффекта:

А. Возникает всегда;

Б. Возникает при длине волны больше «красной» длины волны;

В. Немедленно возникает при освещении тела, если частота больше или равна красной границе фотоэффекта.

8. Как называется предельная частота или наибольшая длина волны, при которых еще можно наблюдать фотоэффект? Запишите ответ.

9. Фотон — это элементарная частица…

А. лишенная массы покоя и электрического заряда, обладающая энергией и импульсом;

Б. лишенная массы покоя;

В. обладающая импульсом.

10. Согласно одному из законов фотоэффекта: фотоэффект не происходит, если…

А. фотоэффект происходит всегда и не зависит от частоты падающего света;

Б. частота падающего света меньше красной границы фотоэффекта;

В. частота падающего света больше красной границы фотоэффекта.

5. Определение домашнего задания и инструктаж по его выполнению.

Преподаватель: Оценки за выполнение самостоятельной работы  вы узнаете на следующем уроке. Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она выясняет сложное и многообразное строения окружающего нас мира, но и в том, что она даёт нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать производство, улучшать условия материальной и культурной жизни общества.

Домашнее задание:

1. Материалы параграфа учебника и записи в тетради.

2. Подготовить небольшое сообщение о применении явления фотоэффекта.

3. Вы можете повторить описанный выше опыт при помощи flash-анимации (автор Александр Коновалов). В этой программе вы можете: наблюдать движение электронов; менять материал (металл) катода, интенсивность и частоту излучения, полярность источника; увидеть значения работы выхода, красная граница фотоэффекта, длины волны излучения, энергии фотона и напряжения источника. Ссылка на страницу:

http://www.physbook.ru/images/9/9f/Fot_7.swf

Преподаватель: Следующее занятие будет посвящено решению задач и упражнений на применение уравнения Эйнштейна, определение красной границы фотоэффекта и свойств фотонов.

6. Подведение итогов. Рефлексия.

Преподаватель: Подведем итоги занятия. Я предлагаю вам оценить свою активность на уроке, продолжив начало данных предложений:

1.Тема нашего сегодняшнего урока …

2. Передо мной на уроке стояла цель …

3. Сегодня я узнал …

4. Было интересно …

5. Было сложно…

6. Я понял, что …

Преподаватель: Всем спасибо за урок! А закончить его мне бы хотелось словами великого учёного Средневековья Абу Райхан Бируни: «Знание – самое превосходное из владений. Все стремятся к нему, само оно не приходит».

Литература

1. Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.

2.         Пинский А.А. Физика. Учебник / А.А. Пинский, Г.Ю. Граковский ; под общ. ред. Ю.И. Дика, Н.С. Пурышевой. — 4-е изд., испр. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2017, 560 с. : ил. — (Среднее профессиональное образование).

3. Дмитриева В. Ф., Васильев Л. И. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Контрольные материалы: учеб. пособия для учреждений сред. проф. образования /В. Ф. Дмитриева, Л. И. Васильев. — М., 2014.

4. www. school-collection. edu. ru (Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов).

5. https://studfile.net/preview/3053953/page:11/ 6.http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/d7a7bd48-0191-423f-8f77-21b97e110148/kvant4.htm