Природные процессы на основе фотоэффекта

3 Природные процессы на основе фотоэффекта

Виды воздействия светового излучения на вещество весьма разнообразны. В частности, под действием света могут происходить реакции химических превращений веществ (фотохимическая реакция). Одни из этих реакций, приводя к образованию сложных молекул из простых (например, образование хлористого водорода при освещении смеси водорода и хлора), другие - к разложению молекул на составные части (например, фотохимическое разложение бромистого серебра с выделением металлического серебра и брома), в результате третьих молекула не изменяет своего состава, изменяется лишь ее пространственная конфигурация, приводящая к изменению ее свойств (возникают стереоизомеры).

Фотохимические процессы вызываются только поглощаемым светом, действующим на движение валентных электронов в атомах и молекулах. В основе таких процессов лежит явление фотоэффекта.

Многие фотохимические превращения идут в два этапа. Первичный процесс характеризуется изменением молекулы под действием поглощенного ею кванта света - это собственно фотохимическая реакция. Во всех вторичных процессах мы имеем дело с сугубо химическими реакциями продуктов первичных реакций. Так при образовании хлористого водорода первичным является лишь расщепление молекулы хлора, поглотившей квант света, на атомарный хлор, который далее через день вторичных химических реакций приводит к образованию конечного продукта. Для первичных процессов справедлив закон эквивалентности. Каждому поглощенному кванту света соответствует превращение одной поглотившей свет молекулы. В общем случае количество химически прореагировавшего вещества пропорционально поглощенному световому потоку и времени его воздействия. Величина коэффициента пропорциональности определяется природой вторичных процессов.

Фотохимическую реакцию может вызвать лишь излучение, энергия кванта которого больше энергии активации молекулы. Этим объясняется повышение фотохимической активности ультрафиолетового излучения.

Следует отметить, что фотохимическими процессами объясняются многие природные явления, такие как синтез углеводов листьев в листьях растений или чувствительность глаза к световому излучению.

Фотохимическая реакция разложения бромистого серебра (и других его коллоидных солей) использована для получения фотографических изображений. Изображение представляет собой локальные почернения фотоматериала из-за выделившихся под действием отраженного от объекта света частичек серебра.

К фотохимическим явлениям относится и так называемый фотохромный эффект, который состоит в следующем[11].

Некоторые химические вещества обычно со сложным строением молекулы, изменяют свою окраску под действием видимого или ультрафиолетового излучения. В отличие от обычного выцветания красок этот эффект обратим. Первоначальная окраска или отсутствие таковой восстанавливается через некоторое время в темноте, под действием излучения другой частоты или при нагревании. Но наведенную окраску можно и сохранить сколь угодно долго, если охладить фотохромное вещество или обработать его некоторыми газами, фотохромизм восстанавливается при соответствующей вторичной обработке.

Скорость окрашивания и интенсивность окраски зависят не только от структуры молекул самого фотохромного соединения, но и от среды, в которую оно может быть введено (стекло, керамика, жидкость, пластмасса, ткань и др.).

Многие фотохромные вещества при облучении интенсивным светом могут темнеть, причем их “быстродействие” достигает несколько микросекунд. Это позволяет использовать фотохромные тела как светохатворы для защиты глаз или светочувствительных приборов от неожиданной вспышки мощного излучения. Есть возможность использовать их как регуляторы светопропускания в зависимости от интенсивности света.

4 Фотоэффект в технических устройствах

Рис. 5. Устройство фотоэлемента и схема его включения в цепь: А – анод; К – катод; В – прозрачное отверстие; Б – батарея; G - гальванометр

При достаточной разности потенциалов между катодом и анодом все электроны, вылетающие с фотокатода, будут собираться на аноде.

Анод выполнен в виде кольца или сетки. Есть фотоэлементы вакуумные или газонаполненные.

В газонаполненных (инертным газом до 10^-2 мм рт. ст.) фотоэлементах величина тока больше за счет ионизации выбитыми электронами нейтральных молекул газа. Вновь образованные электроны, двигаясь к аноду, в свою очередь производят повторную ионизацию. Усиление тока в газонаполненном фотоэлементе происходит пропорционально освещенности и нарушается безынэрционность. Область применения таких фотоэлементов ограничена.

Для усиления фототоков часто пользуются явлением, получившим название вторичной электронной эмиссии. Это явление заключается в том, что электроны, обладающие достаточной энергией, падая на поверхность металла, не только сами отражаются от этой поверхности, но и вызывают эмиссию новых электронов с этой поверхности. Усиленный электронный поток направляется на эмиттер и процесс умножения повторяется на всех последующих эмиттерах. Величина вторичной эмиссии характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии “σ” – отношением числа вторичных электронов “n₂” к числу первичных “n₁” , вызывающих эмиссию:

В зависимости от вещества и энергии падающих электронов коэффициент вторичной эмиссии “σ” может достигать десяти и более. Явление вторичной эмиссии используется для усиления электронного тока. На (рис. 6) приводится схематическое изображение фотоэлемента с однократным вторичным усилением.

Рис. 6. Схема фотоэлемента с усилением фототока: А – анод; К – катод; Д – диод; Ф – световой поток

Светочувствительный слой, играющий роль первичного фотокатода, нанесен на внутренней поверхности стеклянного вакуумного баллончика и присоединен к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения. На противоположной внутренней стороне баллончика нанесен такой же светочувствительный слой “D”. Он является вторым электродом-эмиттером. Между катодом и эмиттером расположен третий электрод – анод, потенциал которого выше потенциала эмиттера. Фотоэлектроны, выбитые световым потоком с катода “K”, ускоряются электрическим полем и значительная их часть, пролетая через анод “А”, представляющий собой сетку, преодолевая встречное поле между анодом и эмиттером, попадает на вторичный эмиттер “D”, получивший название динода. Выбитые из него электроны меньших скоростей, чем первичные, собираются анодом.

Если коэффициент вторичной эмиссии электронов больше единицы, то сила тока в цепи анода будет больше силы первичного тока с катода, вызванного действием освещения.

Особенно высокое усиление дает прибор с многократным усилением тока за счет вторичной электронной эмиссии, изобретенный А.А. Кубецким и получивший название фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) (рис. 7).

Рис. 7. Электрическая схема фотоэлектронного умножителя: Ф – световой поток; А – анод; К – фотокатод; Э1, Э2, Э3,– диноды; D – делитель напряжения

Фотоэлектронные умножители применяются, главным образом, для измерения малых световых потоков (астрономия и оптическая спектрометрия) и для регистрации кратковременных слабых световых вспышек (ядерная физика и техника).

Любое изображение можно рассматривать как многоканальную систему передачи информации, причем число каналов выражается числом разрешаемых элементов передаваемого изображения. Для этого используется набор 10⁵ - 10⁶ параллельных микроканалов, каждый из которых работает независимо, как отдельный канальный электронный умножитель.

Канальный умножитель – это трубка с длинной, превышающей диаметр в десятки раз (отношение длины к диаметру – 50). Трубка имеет проводящие стенки, благодаря чему приложенная между торцами разность потенциалов разносится током по всей ее длине. Внутри канала – вакуум. Вторично-электронным эмиттером служит внутренняя поверхность канала. Продольное электрическое поле внутри канала сообщает электрону скорость в направлении к анодному концу трубки. Электрон ударяется о стенку раньше, чем вылетит через анодное торцевое отверстие. Выбитые при этом вторичные электроны также двигаются в сторону анода и в свою очередь соударяются со стенкой и так далее.

1. 
   их компактность и легкая стыковка с обычной фотоаппаратурой;
   
2. 
   ускоряющее напряжение сравнительно невелико, схема питания предельно
   
3. 
   проста, не требует магнитного поля и подфокусировок;
   
4. 
   пространственное разрешение определяется только геометрией набора
   
5. 
   микроканалов, не зависит ни от напряжения, ни от усиления;
   
6. 
   они исключают локальные пересветки и ослепление наблюдателя.
   
7. 
   МКП отличаются высокой механической прочностью и не боятся контакта с атмосферным воздухом, их можно переносить из прибора в прибор.
   

В 70-х годах были созданы принципиально новые, более простые устройства, в которых тепловое изображение, без преобразования в электрические сигналы, проецируется на экран, покрытый тонким слоем вещества, изменяющего свои оптические характеристики (коэффициент отражения или пропускания, интенсивность или цвет свечения) под воздействием теплового излучения. На экране можно наблюдать видимые изображения и фотографировать их. В качестве температурно-чувствительных веществ используются жидкие кристаллы, кристаллические люминофоры, полупроводниковые пленки, тонкие магнитные пленки.

Системы тепловидения применяются для обзора местности, охраны окружающей среды, обнаружения лесных пожаров, контроля качества продукции. Преимуществом систем тепловидения является их способность работать в любое время суток и в неблагоприятных погодных условиях.

5. Изучение фотоэффекта в школе

Изучение темы «Фотоэффект» проводилось в 11 классе ____ школе. Количество учащихся ___ человек.

Изучение проходило в несколько этапов:

1. 
   Подготовительный этап.
   
2. 
   Поисковая беседа.
   
3. 
   Практическая работа по изучению законов фотоэффекта.
   
4. 
   Проверка полученных знаний.
   
5. 
   Анализ проделанной работы.
   

• 
  компьютерная обучающая программа «Физика. 7-11 классы. Практикум.» (ООО ФИЗИКОН, 2004);
  
• 
  компьютерная презентация “Фотоэффект” (основные схемы, термины, понятия и формулы темы, краткие биографии ученых – М. Планк, А. Г. Столетов, А. Эйнштейн.),
  
• 
  бланки практической работы;
  
• 
  компьютер;
  
• 
  интерактивная доска;
  
• 
  лабораторное оборудование кабинета физики;
  
• 
  электронный учебник «Программы Физикона. Локальная версия».
  

На данном этапе проводилось тестирование, для проверки знаний по пройденному материалу и готовности, учащихся к ознакомлению с новой темой.

1)джоулем; 2) электрон-вольтом; 3) квантом; 4) электроном.

2. Гипотезу о том, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями, выдвинул:

1) М. Фарадей; 2) Д. Джоуль; 3) М. Планк; 4) А. Эйнштейн.

3. Импульс фотона определяется формулой:

1) p=h/λ; 2) E=hν ; 3) V=S/t; 4) m= hν/ c2 ;

4. Энергия кванта пропорциональна:

1) длине волны; 2) времени излучения; 3) скорости кванта; 4) частоте колебаний;

5. Энергия фотонов при уменьшении длины световой волны в 2 раза…

1) уменьшается в 2 раза; 2) увеличивается в 2 раза; 3) уменьшается в 4 раза;

4) увеличивается в 4 раза.

Решить задачу:

Найти длину волны фотона, у которого импульс равен 10 кг м /с. Чему равна энергия этого фотона?

Дано:

Р=10кг м/с

h=6.63 10 Дж с

с=3 108м/с

Найти:

Решение:

ν = c/λ,

отсюда имеем:

р = mc = hν/c = h/λ.

отсюда λ = h/p

-34 -35

-34 -35

Цинковой пластине сообщили отрицательный заряд.

Учитель: Обратите внимание, что заряд на пластине может оставаться очень долго. Как вы думаете - почему?

Ученики: Возможно, что воздух выступает в роли диэлектрика.

Учитель: Хорошо! А какими способами можно разрядить пластину?

Ученики: заземлить или нагреть воздух около пластины или осветить ее светом.

Учитель: А как можно разрядить положительно заряженную пластину?

Ученик: Так же.

Демонстрируется слайд:

Пластина с отрицательным зарядом разряжается от света электрической дуги. Положительно заряженная пластина не разряжается.

Учитель: Как вы объясняете, почему цинковая пластина теряла отрицательный заряд?

Ученики: На неё действовал свет дуги.

Учитель: Как можно представить себе процесс уменьшения отрицательного заряда под действием света дуги с точки зрения электронной теории?

Ученики: Отрицательный заряд означает избыток электронов, очевидно электроны вырываются из пластины и её заряд уменьшается.

Учитель: Почему же не теряет заряд положительно заряженная пластина?

Ученики: Потому что положительный заряд прочно связан с узлами кристаллической решетки и свет дуги не может их выбить.

Учитель: А электроны в положительно заряженной пластине имеются?

Ученик: Конечно.

Учитель: Итак, ребята, мы только что пришли к выводу, что свет способен вырывать электроны из пластины. Что же в таком случае можно ожидать при облучении положительно заряженной пластины?

Ученик: Увеличится положительный заряд пластины.

Учитель: Почему же электрометр не обнаруживает изменения заряда?

(объяснение с рисунком)

Учитель: Что произойдет с электроном, выбитым светом из отрицательно

заряженной пластины?

Ученик: Он оттолкнется от пластины.

Учитель: А что произойдет с электроном, выбитым светом из положительно

заряженной пластины?

Ученик: Он будет притягиваться пластиной.

Учитель: Итак, вы правильно объяснили опыты. В 1887 г. Генрих Герц – открыл явление фотоэффекта - вырывание электронов из вещества под действием света, а 1888 -1890 А.Г. Столетов - исследовал законы фотоэффекта.

Учитель: А теперь попробуем объяснить фотоэффект с помощью волновой теории, так как другой теории мы ещё не знаем. Вспомним сначала, что представляет собой световая волна? (дети на доске чертят график и объясняют)

Демонстрируется слайд:

Световой волны.
Учитель: Итак, как будто вопрос ясен: сила Лоренца достаточно мала и ею мы пренебрегли, со стороны электрического поля световой волны на электрон действует переменная сила «раскачивающая» его. Естественно предположить, что в результате её действия электрон вырывается из металла. При этом, чем больше модуль Е, тем больше вероятность того, что электрон преодолеет связи, удерживающие его в металле, и вырвется из него. Таким образом, увеличивая освещенность пластины, зависящей от квадрата амплитуды напряженности электрического поля, мы должны наблюдать фототок.
3. Практическая работа по изучению законов фотоэффекта.
Опыт № 1

Определение зависимости фототока I (мA) от интенсивности или мощности P (мBт) падающего излучения на пластину.

По результатам опыта, что увеличение освещенности катода не привело к изменению его заряда, фототок не появился.

Определить, влияние этого фактора на изменение фототока и энергии квантов не изменяя освещенность пластины, но уменьшая длину.

Уменьшение длины волны падающего излучения до 622 нм приводит к появлению фототока и его дальнейшему росту. Увеличивается энергия кванта, т.к. она зависит обратно пропорционально от длины волны падающего излучения. Фотоэлектроны УВЕЛИЧИВАЮТ свою скорость с увеличением частоты излучения.

Определение зависимости количества фотоэлектронов от увеличения освещённости пластины?

При увеличении освещённости пластины фототок растет, а это значит, что число фотоэлектронов растет. При увеличении освещённости пластины энергия квантов не изменяется, значит, кинетическая энергия фотоэлектронов также не изменяется.

Определение зависимости фототока от изменения задерживающего напряжения U_з при неизменной длине волны и освещенности?

При уменьшении напряжения между электродами, фототок уменьшается до нуля при неизменных мощности излучения (Р) и длине волны (λ)

Определение изменения задерживающего напряжения U_з от увеличения длины волны падающей на катод.

При увеличении длины волны падающего излучения задерживающее напряжения U_з уменьшается. Другими словами, кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается с уменьшением частоты падающего излучения, поэтому уменьшается и запирающее напряжение, при котором фототок равен нулю.

Определение влияния изменения освещенности катода на задерживающее напряжения U_з ?

Изменение освещенности катода не влияет на задерживающее напряжения U_з.

1. 
   Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света , падающего на катод.
   
2. 
   Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
   
3. 
   Для каждого вещества существует минимальная частота света, называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен.
   

На данном этапе изучения темы применялись следующие тесты:

1. Как изменится интенсивность испускания электронов цинковой пластиной при облучении ее ультрафиолетовым излучением?

1. Какой заряд окажется на двух цинковых пластинах, первая из которых заряжена положительно, а вторая – отрицательно, если их облучать ультрафиолетовым (УФ) светом?

Б) Первая пластина приобретёт положительный заряд, вторая – отрицательный.

В) Обе пластины будут иметь положительный заряд.
2. Какие факторы определяют красную границу фотоэффекта:

1. длина волны; 2. вещество катода; 3. вещество анода?

1. световой поток; 2. частота облучающего света; 3. скорость вылетающих электронов?

1.Первая из двух одинаковых металлических пластинок имеет положительный электрический заряд, вторая – отрицательный. Какая из них разрядится быстрее при освещении электрической дугой?

2) Вторая

3) Одновременно

4) Пластинки не будут разряжаться

2) Мощность, большую определенного значения

3) Длину волны, большую определенного значения

4) Интенсивность, большую определенного значения

А. частотой света

Б. свойствами веществами

В. площадью катода

1) А 2)Б 3)А и Б 4)А, Б и В
4. В каком из двух случаев вероятность появления фотоэффекта будет наибольшей: при освещении металла желтыми или фиолетовым светом?
1) Одинакова в обоих случаях

2) При освещении желтым светом

3) При освещении фиолетовым светом
5. Как изменится кинетическая энергия электронов при фотоэффекте, если увеличить частоту облучающего света, не изменяя общую мощность излучения?
1) Увеличится

2) Уменьшится

3) Не изменится

1. 
   Дополнительное задание для желающих углубить свои знания по теме урока: написать реферат по теме: «История открытия теории фотоэффекта».
   

2. 
   Введение к разделу «Квантовая физика» и § 88.
   

1. 
   К какому противоречию пришли ученые в конце XIX века?
   
2. 
   Какой ученый разрешил противоречие и как?
   
3. 
   Как называется новая теория поглощения и излучения энергии и в чем её
   

4. 
   Кто открыл явление фотоэффекта и в чем оно состоит?
   
5. 
   Кто изучил законы этого явления?
   
6. 
   В чем суть законов фотоэффекта?
   
7. 
   Выполнение заданий на интерактивной доске.
   
8. 
   Могут ли носить исследовательский характер задания, которые вы выполняли на интерактивной модели? Ответ поясните.