Методика изучения внешнего фотоэффекта
Фотоэффект, его законы занимают особое место в истории физики. Явление фотоэффекта было одним из основных среди явлений, исследование которых привело к созданию квантовой теории вообще и квантовой теории света в частности. Сущность явления внешнего фотоэффекта и его главные закономерности заключаются, как известно, в следующем: под действием электромагнитного излучения наблюдается испускание (эмиссия) электронов из металлов.
К пониманию явления фотоэффекта и его закономерностей лучше всего подвести школьников с помощью серии опытов. Перед демонстрацией следует объяснить особенности источника ультрафиолетового излучения: прибор дает видимое излучение сиреневого цвета и невидимое – ультрафиолетовое, а также неспособность обычного стекла пропускать ультрафиолет. Вначале закрепленную на стержне электрометра хорошо очищенную цинковую пластину заряжают отрицательно и освещая её напрямую прибором, наблюдают разряд электрометра. Не допуская полного разряда электрометра, между источником ультрафиолетового излучения и платиной помещается стеклянная пластина и наблюдается прекращение разряда электрометра. Анализ результатов опыта дает возможность ввести понятие фотоэффекта и сделать вывод о том, что излучение не любой частоты может вызвать фотоэффект.
Особое внимание необходимо уделить результатам опытов при сообщении цинковой пластине положительного заряда. Важно заметить, что при таком же освещении показания электрометра не меняются вследствие того, что фотоэффект в этом случае возникает, но разряд электрометра не наблюдается так как все вырванные светом электроны под действием электрического поля пластины возвращаются обратно на неё. После этого можно предложить учащимся попытаться объяснить, что будет происходить, если облучать ультрафиолетом незаряженную пластину и на опыте проверить правильность их предположений. Данная установка позволяет выяснить зависимость скорости разряда отрицательно заряженной пластины от интенсивности излучения, перекрывая стеклом часть излучения, падающего от излучателя на пластину. Следующим шагом является показ того, что ультрафиолетовое излучение не способно вырывать электроны из медной (а затем свинцовой) платины, заряженной отрицательно. Таким образом, анализ результатов опытов позволяет сделать следующие выводы: под действием света разряжаются только отрицательно заряженные металлы, а, значит, при некоторых условиях свет способен вырывать электроны из металлов; наличие фотоэффекта зависит от рода и обработки освещаемого металла и от частоты (длины волны) падающего излучения; скорость разряда электрометра зависит от падающей в единицу времени световой энергии; разряд электрометра начинается одновременно с началом освещения, следовательно, фотоэффект практически безынерционен.
Основные законы фотоэффекта вводятся на основе опытов А.Г.Столетова, которые достаточно подробно описаны в учебнике, однако результаты опытов для учащихся не очевидны, они не понимают механизм рассматриваемых явлений и процессов даже при условии показа всех опытов, описанных выше. В этом случае важно наглядно все показать. Этому будет способствовать работа с компьютерной моделью опытов Столетова из «Открытая физика». Вместе с анализом результатов демонстрационных опытов это позволяет убедительно сформулировать законы фотоэффекта. В школьном курсе физики обычно рассматриваются три закона.
Первый закон: фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.
Второй закон: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
Третий закон: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта - максимальная длина волны (наименьшая частота) света, при которой фотоэффект ещё наблюдается. При больших длинах волн (меньших частотах) фотоэффекта нет.
После формулирования законов фотоэффекта необходимо показать учащимся, что классическая электродинамика не может объяснить законы фотоэффекта. 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. Почему существует красная граница фотоэффекта, ведь 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.
После этого следует изучение гипотезы Эйнштейна и объяснение законов фотоэффекта на основе квантовой теории. Эйнштейн предположил: каждый фотон взаимодействует не со всем веществом, на которое падает свет, и даже не с атомом в целом, а с отдельным электроном атома. Фотон отдает свою энергию электрону полностью, а электрон, получив энергию, вырывается из металла с определенной кинетической энергией. На основе закона сохранения энергии можно записать уравнение для элементарного акта взаимодействия фотона с электроном:
После записи уравнения Эйнштейна для фотоэффекта необходимо показать, что такой подход полностью объясняет все законы фотоэффекта.
Например, сила фототока насыщения равна числу электронов, вылетающих за единицу времени с освещаемой поверхности; интенсивность света - числу ежесекундно падающих фотонов. Так как каждый фотон может выбить с поверхности металла лишь один электрон, то естественно, что число вырванных электронов (а значит сила фототока насыщения) будет пропорционально числу падающих фотонов (т.е. интенсивности света).
На основании этого делается вывод о том, что уравнение Эйнштейна полностью объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Оно позволяет вычислять скорости фотоэлектронов и определять наибольшую длину волны (частоту) света, при которой еще наблюдается явление фотоэффекта для данного вещества, а также вычислить работу выхода для конкретного металла.
Таким образом, учащиеся должны понимать, что фотоэффект и его законы занимают особое место в истории физики, так как явление фотоэффекта является одним из основных явлений, исследование которых привело к созданию квантовой теории вообще и квантовой теории света в частности. К тому же именно из рассмотрения закономерностей фотоэффекта обычно в средней школе вводят представление о световых квантах - фотонах.