Цель: дать понятие фотоэлектрического эффекта и разъяснить содержание его законов, объяснить законы фотоэффекта на основании квантовых представлений; дать понятие о фотоне как элементарной частице электромагнитного излучения; изучить основные свойства фотона.
Задачи:
Образовательная: сформировать понятие
фотоэффекта и фотона; продолжить формирование
вычислительных навыков;
Тип урока: комбинированный урок.
Оборудование: набор по фотоэффекту, компьютер, LCD–проектор, презентация в программе PowerPoint, мультимедийный диск “Интерактивный курс. Физика, 7-11 классы”. Физикон.
Ход урока
I. Организационный этап
Приложение 1 (Слайд 1, 2, 3)
II. Актуализация знаний
1. Фронтальный опрос.
- В чем заключалось противоречие между электромагнитной природой света и опытом?
- В чем заключалась гипотеза Планка?
- Чему равна энергия кванта?
2. Демонстрация внешнего фотоэффекта на цинковой пластине.
III. Изучение нового материала
1. Учитель. (Материал из энциклопедии.). Демонстрация слайдов 5–9.
В 1887 г. Немецкий физик Генрих Герц экспериментировал с разрядником для излучения электромагнитных волн – парой металлических шаров; при приложении разности потенциалов между ними проскакивала искра. Когда же он освещал один из шаров ультрафиолетовыми лучами, разряд усиливался. Таким образом, был обнаружен внешний фотоэффект.
В 1888 г. другой немец, Вильгейм Гальвакс, установил, что облученная ультрафиолетовым светом металлическая пластинка заряжается положительно. Так произошло второе открытие фотоэффекта. Третьим, не зная об опытах Герца и Гальвакса, его наблюдал в том же году итальянец Аугусто Рики. Он выяснил, что фотоэффект возможен и в металлах, и в диэлектриках. Рики сконструировал фотоэлемент – прибор, преобразующий свет в электрический ток. Но и это еще не вся история: российский физик Александр Григорьевич Столетов был четвертым ученым, независимо от других открывшим фотоэффект (1888 г.). Используя фотоэлемент собственной конструкции, Столетов два года всесторонне исследовал новое явление и вывел его основные закономерности. Оказалось, что сила фототока (электрического тока, возникающего под действием ультрафиолетового излучения), во-первых, прямо пропорциональна интенсивности падающего света, а во-вторых, при фиксированной интенсивности облучения сначала растет по мере повышения разности потенциалов, но достигнув определенного значения (ток насыщения), уже не увеличивается. В 1899 г. немец Филипп Ленард и англичанин Джозеф Томсон доказали, что падающий на металлическую поверхность свет выбивает из нее электроны, движение которых и приводит к появлению фототока. Однако понять природу фотоэффекта с помощью классической электродинамики так и не удалось. Необъяснимым оставалось, почему фототок возникал лишь тогда, когда частота падающего света превышала строго определенную для каждого металла величину.
Слайд 10, 11.
Только в 1905 г. Эйнштейн превратил эту загадку в совершенно прозрачную, понятную во всех деталях картину. Развивая квантовую гипотезу Планка, он предположил, что электромагнитное излучение не просто испускается порциями – оно и распространяется в пространстве, и поглощается веществом тоже в виде порций – световых квантов (фотонов). Поэтому-то для возникновения фотоэффекта важна отнюдь не интенсивность падающего светового пучка. Главное, хватает ли отдельному световому кванту энергии, чтобы выбить электрон из вещества. Минимальную энергию, необходимую для этого, называют работой выхода Авых. В итоге Эйнштейн вывел следующее уравнение фотоэффекта:
h
= Авых + Ек.
В его левой части – энергия, которую отдает фотон электрону вещества, в правой – работа выхода электрона из вещества плюс кинетическая энергия уже освобожденного электрона. Ясно, что фотоэффект может вызвать только световая волна достаточно высокой частоты, а сила фототока пропорциональна интенсивности поглощенного света, т.е. числу фотонов, способных выбить электроны из вещества. В 1907г. Эйнштейн, работая над теорией теплоемкости твердых тел, сделал еще одно уточнение квантовой гипотезы. Почему тело (атом, молекула, кристалл) излучает свет, согласно Планку, только порциями? А потому, отвечал Эйнштейн, что атомы имеют лишь дискретный набор возможных значений энергии. Таким образом, теория излучения и поглощения приняла законченный вид.
2. Работа с мультимедийным пособием (Интерактивный курс “Физика, 7–11 классы” Лаборатория. Атомная и ядерная физика. Фотоэффект). Проходит в форме беседы с учащимися.
Модель является компьютерным экспериментом по исследованию закономерностей внешнего фотоэффекта. Можно изменять значение напряжения U между анодом и катодом фотоэлемента и его знак, длину волны ? в диапазоне видимого света и мощность светового потока P.
В эксперименте можно определить красную границу фотоэффекта и найти работу выхода материала фотокатода. Можно измерить запирающий потенциал Uз для различных длин волн и определить постоянную Планка h.
Проверка законов фотоэффекта.
Первый закон. Сила тока насыщения (фактически, число выбиваемых с поверхности электронов за единицу времени) прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела.
Начальные данные: P = 0,5 мВт, 
= 400 нм, U = 0 В. Увеличиваем
разность потенциалов между электродами, при
фиксированной интенсивности, замечаем, что сила
тока нарастает. При напряжении U = 2,7 В она
достигает максимального значения I = 0,5 мА и
перестает увеличиваться. Ток достиг насыщения.
Затем увеличиваем интенсивность и видим что,
сила тока насыщения увеличивается.
Рисунок 1
Второй закон. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
Начальные данные: P = 0,2 мВт, = 550 нм, U = 0 В, I = 0,007 мА. При
этих данных часть вырываемых светом электронов
достигает левого электрода. Изменяем полярность
батареи – сила тока уменьшается, и при U = -0,3 В
становится равной нулю. Это значит, что
электрическое поле тормозит вырванные электроны
до полной остановки и затем возвращает их на
катод. Теперь, изменяем интенсивность света –
задерживающее напряжение не меняется,
следовательно, не меняется кинетическая энергия
фотоэлектронов, а значит и скорость
фотоэлектронов не меняется. Уменьшаем длину
волны падающего света (т.е. увеличиваем частоту)
– видим, что задерживающее напряжение следует
увеличить. Это означает, что возрастает
кинетическая энергия, а значит, максимальная
скорость фотоэлектронов зависит от частоты
(линейно возрастает) и не зависит от
интенсивности света.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: h = Авых + 
где Aвых – работа выхода электронов
из материала катода, а 
– максимальная кинетическая энергия
фотоэлектронов.
Отсюда следует, что красная граница
фотоэффекта определяется формулой min = 
.
Запирающее напряжение, которое необходимо
приложить, чтобы фототок прекратился, можно
найти по формуле Uзе =
Зависимость запирающего потенциала от частоты падающего света
Третий закон. Если частота света меньше
некоторой определенной для данного вещества
минимальной частоты кр, то фотоэффект не
наблюдается (достигается т. н. красная
граница фотоэффекта).
Начальные данные: = 550 нм.
Увеличиваем длину волны и видим, что при = 662 нм фототок прекращается
и при дальнейшем увеличении больше не возникает.
Эта длина волны и есть красная граница
фотоэффекта.
Кроме внешнего фотоэффекта существует и внутренний фотоэффект: при облучении полупроводника или диэлектрика фотонами в нем появляются дополнительные свободные электроны и (или) так называемые дырки, что приводит к увеличению электропроводности. Слайд 11–15.
3. Изучение нового материала (продолжение)
Слайд 16, 17.
В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц. Таблица элементарных частиц уже многие десятки лет начинается с фотона.
При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц с энергией Е = h?, зависящей от частоты. Порция света оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято называть частицей. Свойства света, обнаруживаемые при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении), называют корпускулярными, а сама же световая частица получила название фотона или светового кванта. При распространении света проявляются его волновые свойства. Свет обладает своеобразным дуализмом (двойственностью) свойств.
Энергия фотона: Е = h = ћ
, где ћ = 
= 1,055 · 10-34
Дж · с.
Масса фотона: m = 
. Фотон лишен массы покоя, т.е. он не
существует в состоянии покоя и при рождении
сразу имеет скорость с.
Импульс фотона: p = mc = 
= 
.
Направлен импульс фотона по световому лучу.
Гипотеза де Броля. Длина волны де Бройля: = 
.
IV. Закрепление изученного материала
Тестирование по вопросам о закономерностях фотоэффекта и свойствах фотона (Электронное учебное издание “Подготовка к ЕГЭ по физике”. – Дрофа. Раздел “Атомная физика”, тренинг).
V. Подведение итогов
VI. Домашнее задание: § 88–90, № 1141, 1144. Подготовить сообщения о применении фотоэффекта. Слайд 18.