Воспитательная: воспитать у студентов самостоятельность, активность при изучении материала
ЛЕКЦИЯ
Дисциплина ОДП 03Физика
Вид занятия лекция
Форма проведения занятия лекция
Тема занятия: Применение фотоэффекта. Давление света. Химическое действие света. Фотография.
Цель занятия:
Дидактическая: Сформировать у обучающихся понятие фотоэффект
Воспитательная: воспитать у студентов самостоятельность, активность при изучении материала
Развивающая: формирование умений анализировать и обобщать изученный материал развитие самостоятельности мышления в учебной деятельности
Межпредметные связи:
Обеспечивающие Математика.
Обеспечиваемые Технологическое оборудование, Техническая механика, Технология отрасли, Информационные технологии в профессиональной деятельности.
Литература:
Основная
1. Бутиков Е. И., Кондратьев А. С. Физика для углубленного изучения, т. 1. Механика. М., 2004.
2. Детлаф А. А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Курс физики, т. 2. Электричество и магнетизм. М., 1977.
3. Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. М., 2013.
4. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики, т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. М., 1985.
План
1. Применение фотоэффекта;
2. Фотоны. Корпускулярно-волновой дуализм;
3. Формула де Бройля.
ИЗЛОЖЕНИЕ ЛЕКЦИИ
Явление фотоэффекта широко применяют в науке и технике: оно позволяет осуществить непосредственное преобразование энергии света в электрическую энергию. С помощью фотоэффекта появился звук в кино, стала возможной передача движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без участия человека изготовляют детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше человека, вовремя включают и выключают уличное освещение и т. п.
Вспомним, что явление фотоэффекта делится на внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из металла под действием света. Это явление применяется в вакуумных фотоэлементах. Явление внутреннего фотоэффекта – это явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе под действием света. Это явление применяется в полупроводниковых фотоэлементах.
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. В них энергия света управляет энергией электрического тока или превращается в нее. Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому источники электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков. Рассмотрим устройство современного вакуумного фотоэлемента. Он представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла. Этот слой изготовлен из металла с малой работой выхода и служит катодом.
Анодом служит проволочная петля (или диск), находящаяся в центре колбы. Анод улавливает фотоэлектроны. Он присоединяется к положительному полюсу батареи, а катод – к отрицательному.
Когда свет через прозрачную часть колбы попадает на катод, в цепи возникает электрический ток (за счет движения электронов, вырванных из металла). Этот ток регистрируется тем или иным устройством, в результате чего включается (или наоборот выключается) реле. Эта схема работы лежит в основе всех, так называемых, видящих автоматов – тех же автоматических дверей. Когда человек подходит к такой двери, он закрывает собой свет, и на это незамедлительно реагирует фотоэлемент, а за ним и реле. Можно заметить похожую картину и в современных лифтах: если стоять в дверном проеме, то дверь не будет закрываться. По тому же принципу действуют турникеты в метро или освещение, которое автоматически включается, когда вы входите в помещение.
В аэронавигации, в военном деле широко применяют фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачны. С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.
Принцип действия полупроводникового фотоэлемента основано на явлении внутреннего фотоэффекта. Напомним, что полупроводники делятся на полупроводники n-типа и полупроводники p-типа. Полупроводники n-типа – это полупроводники с донорными примесями: в них основными носителями зарядов являются электроны. Полупроводник p-типа — полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда дырки.
Под действием света образуются новые пары электрон-дырка. Это приводит к тому, что в полупроводнике n-типа накапливается все больше электронов, а в полупроводнике p-типа накапливается все больше дырок. При замыкании цепи в ней возникнет электрический ток, равный разности токов основных и неосновных носителей. Сила тока будет зависеть от интенсивности падающего света и от сопротивления цепи.
Полупроводниковые фотоэлементы используют также в качестве экономичных источников тока. Ярким примером таких источников являются солнечные батареи.
В современной физике фотон считается одной из элементарных частиц, являющейся переносчиком электромагнитного взаимодействия. Рассмотрим фотон в рамках явления фотоэффекта. 14 декабря 1900 г. немецкий физик Макс Планк выступил на заседании Немецкого физического общества с докладом, посвящённым проблеме распределения энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела. Он установил формулу, которая выражала зависимость энергии электромагнитных волн от частоты. Так зарождалась квантовая теория, но Планк не мог тогда предположить, к каким революционным преобразованиям в будущем приведёт его «рабочая» формула! Альберт Эйнштейн был первым физиком, всерьёз заинтересовавшимся гипотезой Планка. Он пишет статью в марте 1905 г «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и превращение света», где приводит понятие – световые кванта – частицы, из которых состоит электромагнитное излучение. Позднее эти частицы – кванты электромагнитного излучения стали называть фотонами.
По современным представлениям фотоны обладают следующими свойствами:
1)Заряд фотона равен нулю.
2) Скорость фотона равна скорости света в вакууме.
с = νλ = 3·108 м/с
3)Масса покоя фотона равна нулю.
4)Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения, квантом которого он является.
Часто энергию фотона выражают через циклическую частоту омега:
При этом в формуле энергии кванта в качестве коэффициента пропорциональности вводится вместо постоянной Планка h используют величину аш с чертой:
5) Масса движущегося фотона определяется формулой:
У фотона нет массы покоя, так как не существует в состоянии покоя.
Масса, определяемая формулой , это масса движущегося фотона.
6) Зная массу и скорость можно найти импульс фотона:
Импульс фотона направлен вдоль светового луча.
Перечисленные свойства фотонов были установлены не сразу. В начале XX века сама идея о существовании световых квантов встречала резкое неприятие. Ведь интерференция, дифракция света явно показывала, что свет – это волна. А теория Эйнштейна этому противоречила. Согласно квантовым представлениям свет – это поток частиц – фотонов, движущихся со скоростью света. Таким образом, свет обладает корпускулярно – волновым дуализмом: при его распространении преобладают волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) – корпускулярные.
Свет оказался сложным явлением.
В 1923 году французский ученый Луи де Бройль высказал необычную мысль: может быть электрон и другие частицы обладают также и волновыми свойствами. Де Бройль получил формулу длины волны для этих волн.
Знаменитая формула для длины волны де Бройля:
Экспериментально обнаружены волновые свойства электронов, протонов, нейтронов.
У частицы, имеющей некоторую массу m и движущейся со скоростью v, можно определить длину волны (связь длины волны с импульсом, формула де Бройля):
7. В 1873 г. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствия. Впервые гипотеза о световом давлении была высказана еще в 1619 г. немецким ученым И. Кеплером (1571-1630) для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца.
Предсказанное Максвеллом существование светового давления было экспериментально подтверждено Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Оно оказалось чрезвычайно малым, 4*10-?6Па. Тем не менее, световое давление сыграло большую роль в развитии физики, особенно такого его важного раздела, как теория электромагнитного поля.
Как объяснить возникновение светового давления с позиций квантовой теории света?
Свет — это поток фотонов, каждый из фотонов обладает импульсом:
При поглощении веществом фотон перестает существовать, но импульс его, по закону сохранения импульса, не может совсем исчезнуть. Он передается телу, значит, на тело действует сила. Это верно, когда свет веществом поглощается. Свет еще может отражаться телами, а если тело прозрачно, то может проходить сквозь него. Что же наблюдается в реальных условиях? В реальных условиях свет частично отражается телом, частично поглощается, а если это, например, стекло, то свет проходит сквозь него. Но как будет обстоять дело, если поверхность зеркальная? Возникает ли световое давление в данном случае?
Для простоты предположим, что свет падает перпендикулярно к поверхности зеркала.
Мы знаем, что при абсолютном ударе какого-либо тела о стенку она получает импульс, модуль которого равен удвоенному модулю импульса тела, то есть 2mυ.
Здесь будет то же самое. Отражаясь, фотон летит с той же скоростью, но в противоположном направлении. Значит, при отражении фотона от зеркала его импульс изменяется на 2mc.
Такое же изменение импульса, но в противоположном направлении, получит зеркало. Сила давления света в случае отражения будет в 2 раза больше, чем в случае поглощения. Таким образом, световое давление в реальных условиях обусловлено как поглощением, так и отражением фотонов.
Контрольный вопрос
1. Так какими же свойствами обладает фотон?
Пример решения задач на фотоны и фотоэффект
1. Определите энергию фотона, соответствующую длине волны 6,4 *10-7м.
| Дано: 𝛌=6,4 *10-7м h= 6,63*10-34 Дж с=3*108 м/с Е — ? | Решение:
Энергия фотона выражается формулой:
Частоту выражаем через длину волны и скорость
Следовательно, энергию фотона находим по формуле:
|
Ответ: 
2. На поверхность вольфрама, работа выхода электрона из которого равна 7,2·10-19 Дж, падают лучи длиной волны 250 нм. Определите кинетическую энергию фотоэлектрона.
| Дано: 𝛌=250нм=2,5·10-7м h= 6,63·10-34 Дж с=3·108 м/с Авых= 7,2·10-19 Дж Е — ? | Решение:
 + 
Энергия фотона выражается формулой:
Частоту выражаем через длину волны и скорость
Тогда найдем кинетическую энергию фотоэлектрона:
|
Ответ: 