Цель уроков:

•      сформировать у учащихся представления о фотоэффекте и изучить его законы; ознакомить с научной деятельностью А.Г. Столетова; развивать познавательную активность школьников с помощью проблемных вопросов, исторического материала;

•      сформировать понятие кванта энергии, расширить представления учащихся об области применения закона сохранения энергии;

•      сформировать умение решать задачи с использованием уравнения Эйнштейна и представлений о квантах света;

•      привести в систему представления о корпускулярной теории света и углубить знания корпускулярно-волнового дуализма, продолжить формирование умений решать задачи.

•      продолжить формирование познавательного интереса к предмету.

План изучения темы:

•      Урок 1. Возникновение учения о квантах.

•      Урок 2. Явление фотоэффекта; законы фотоэффекта; опыты Столетова А.Г.; 

•      Урок 3. Уравнение фотоэффекта. Фотоны.

•      Урок 4. Давление света. Химическое действие света.

•      Урок 5. Решение задач.

•      Урок 6. Контрольная работа по теме.

1.

В О З Н И К Н О В Е Н И Е У Ч Е Н И Я О К В А Н Т А Х .

Цель урока: Выяснить квантовую сущность света, показать невозможность объяснения методами классической физики несоответствия теоретических расчетов с опытами по тепловому излучению тел, которые привели во второй половине ХIXвека к «ультрафиолетовой катастрофе», и как физика получила дальнейшее развитие с разработкой Планком квантовой теории.

Проверка знаний (устные ответы по вопросам):

1.        Зависимость массы тела от скорости.

2.        Постулаты Эйнштейна.

3.        Закон взаимосвязи массы тела от скорости.

4.        Второй закон динамики в релятивистской динамике.

5.        Кинетическая энергия в релятивистской динамике.

6.        Формула сложения скоростей в релятивистской динамике.

7.        Задача у доски: Масса покоя тела 1000 кг. На сколько увеличится масса тела относительно наблюдателя, который находится в неподвижной системе отсчета, если это тело будет двигаться относительно наблюдателя со скоростью 0,8с? Ответ: Δm=666 кг.

Изучение нового материала.

В предыдущей главе были рассмотрены трудности, возникшие при описании движения тел с релятивистскими скоростями, и показаны пути решения этой проблемы, с которой столкнулась физика в начале ХХ века. Оказалось, что на основе законов классической физики невозможно объяснить строение атома, происхождение линейчатых спектров, закономерности испускания и поглощения электромагнитного излучения нагретыми телами, явления фотоэффекта и т. д. Все это вместе создало ситуацию, которая была названа кризисом классической физики. Разрешить этот кризис удалось путем создания теории относительности и квантовой теории – двух фундаментальных теорий, возникших в начале ХХ века.

Исторически квантовая теория возникла в процессе установления закономерностей теплового излучения.  При изучении спектра испускания абсолютно черного тела физика не смогла объяснить распределение энергии по длинам волн. Расхождение между теоретической и экспериментальной кривыми распределения плотности энергии излучения в спектре абсолютно черного тела, т.е. различие между теорией и опытом, настолько поразило физиков, что было названо «ультрафиолетовой катастрофой».

Электромагнитная теория света Максвелла не могла также объяснить происхождение линейчатых спектров газов, законов фотоэффекта.

Во второй половине XIX – начале XX в. учеными были открыты атомы, ядра атомов, электроны и некоторые другие микрочастицы. Проникнув в микромир, люди узнали, что известные тогда законы механики и электромеханики не объясняли некоторые открытые явления микромира. Накопился ряд опытных фактов, которые не смогла объяснить физическая теория того времени. Как объяснить новые экспериментальные факты? Каким новым законам подчинено движение микрочастиц?

Новая теория светы была выдвинута М.Планком в 1900 г. Согласно гипотезе Планка электроны атомов излучают свет не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия кванта W пропорциональна частоте колебаний ν:

W=hν,

где h – постоянная Планка, h=6,63*10^-34 Дж*с.

Используя это предположение, Планк сумел получить закон распределения энергии в спектре, соответствующий опытным данным. Квантовые представления о свете, введенные в науку Планком, развил далее Эйнштейн. Он пришел к выводу, что свет не только излучается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде квантов.

Квантовая теория света помогла объяснить целый ряд взаимодействий между светом и веществом.

ВОПРОСЫ.

С какими трудностями столкнулась электродинамика Максвелла?

Какую гипотезу выдвинул Планк для объяснения распределения энергии в спектре абсолютно черного тела?

Что такое «ультрафиолетовая катастрофа»?

Как излучается и поглощается свет атомами вещества?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ.

стр. 241 учебника

Упр. 12(2) на стр.255.

2.

Ф О Т О Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Й Э Ф Ф Е К Т . 

О П Ы Т Ы С Т О Л Е Т О В А .

Цель урока: Дать понятие внешнего и внутреннего фотоэффекта и их свойств. Изучить законы внешнего фотоэффекта, опыты Столетова по внешнему фотоэффекту.

Проверка знаний (устные ответы по вопросам):

С какими трудностями столкнулась электродинамика Максвелла при объяснении закономерности распределения энер­гии в спектрах теплового излучения?  

В чем сущность гипотезы Планка?

Как излучается и поглощается свет атомами вещества?   

Формула Планка, выражающая энергию кванта.

Квантовая природа света.

 1. Изучение нового материала.

Фотоэффект возникает при взаимодействии вещества с по­глощаемым электромагнитным излучением оптического диапазо­на.

Различают внешний и внутренний фотоэффект, вентильный фотоэффект и др.

Внешним фотоэффектом называется явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

Внутренним фотоэффектом называется явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе, а следовательно, и увеличения электропроводности вещества под действием света.

Вентильным фотоэффектом называется явление возникно­вения  под действием  света электродвижущей  силы  в  контакте двух различных полупроводников или полупроводника и металла.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году Герцем, а ис­следован детально в 1888-1890 г.г. Столетовым (демонстрация видеофрагмента «Открытие фотоэффекта»).

2.   Провести беседу по вопросам: 1) почему положительно заряженный электрометр не разряжается при облучении его светом, а отрицательный – разряжается? 2) Почему, если на пути света поместить оконное стекло, электрометр не разряжается? 3) можно ли, облучая цинковую пластину светом, зарядить ее?

3.   Демонстрация видеофрагмента «Опыты Столетова».

4.   Вольтамперная характеристика фотоэффекта:

5.   Из вольтамперной характеристики следует, что:

а) при отсутствии напряжения между электродами фототок отли-

чен от нуля, что можно объяснить наличием у фотоэлектро­нов при вылете кинетической энергии;

б) при некотором значении напряжения, между электродами U_H сила фототока перестает зависеть от напряжения — фототок достигает насыщения I_н, за 1 с, е — заряд электрона. Следовательно, при фототоке насы­щения все электроны, покинувшие за 1 с поверхность металла, за это же время попадают на анод. Поэтому по фототоку насыщения можно судить о числе фотоэлектронов, вылетающих с катода в единицу времени.

в) при некотором значении отрицательного напряжения U_з (задерживающее напряжение) фототок пре-

кращается.

6.   Законы фотоэффекта (сформулированы на основе опытных данных):

1)                     Число фотоэлектронов, вырываемых за 1 с с поверхности вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество;

2)                    Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от ин­тенсивности падающего света, а зависит линейно от его частоты;

3)                    Красная граница фотоэффекта зависит только от рода вещества катода.

4)                    Фотоэффект практически безинерционен, так как с мо­мента облучения металла светом до вылета электронов проходит время ~ 10^-9 с.     

7. Объяснение законов фотоэффекта на основе опытов Столетова:

На рис. приведены вольтамперные характеристики для различных световых потоков и постоянной частоте света. Анализ графиков показывает, что сила фототока насыщения пропорциональна световому потоку, падающему на катод, I_н ~ Ф. Из графика следует, что чем больше интенсивность светового излучения, тем большее число электронов покидает поверхность вещества.

На рис. приведены вольтамперные характеристики для постоянного светового потока и различных частот падающего на катод света. Как следует из графиков, величина задерживаю­щего напряжения увеличивается с увеличением частоты падаю­щего света. При уменьшении частоты падающего света U₃ уменьшается и при некоторой частоте v₀ задерживающее напряжение U₃ = 0. Согласно теореме о кинетической энергии, работа задержи­вающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:

А_э =ΔW_K=>eU₃ =mv²/2.

Следовательно, зная U₃, можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, и определяется она только частотой падающего света. 

При ν < ν₀ фотоэффект не наблюдается. Минимальная частота (максимальная длина волны λ_max) па-

дающего света, при которой еще возможен фотоэффект, называется красной границей фото­эффекта. Демонстрация интерактивной модели «Фотоэффект» (диск «Открытая физика 2.5»)

ВОПРОСЫ.

При каком условии возникает фотоэффект?

Что называется фотоэффектом? В чем состоят заслуги Столетова в изучении фотоэффекта и использовании его на практике?

С помощью какой установки можно провести изучение зависимости фототока от напряжения?

Как зависит фототок от напряжения? Что понимают под задерживающим напряжением? Чем определяется его вели­чина?

От чего зависит число фотоэлектронов, вырываемых в единицу времени с поверхности металла?

От чего зависит скорость фотоэлектронов?

Что такое красная граница фотоэффекта? От чего за­висит ее величина?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ.

§ 88, записи в тетради.  

3.

У Р А В Н Е Н И Е Э Й Н Ш Т Е Й Н А Д Л Я В Н Е Ш Н Е Г О  Ф О Т О Э Ф Ф Е К Т А . Ф О Т О Н Ы . 

Цель урока: Познакомить учащихся с уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, дать объяснение законов фотоэффекта, при обосновании уравнения Эйнштейна указать на универсальность закона сохранения энергии..

Проверка знаний:

Письменная работа (5 минут)

1 вариант

1.      Фототок насыщения при фотоэффекте с уменьшением падающего светового потока:

А. Увеличивается

Б. уменьшается

В. не изменяется

Г. увеличивается или уменьшается в зависимости от работы выхода.

2.      Внешний фотоэффект – это явление:

А. Почернение фотоэмульсии под действием света

Б. Вырывания электронов с поверхности вещества под действием света

В. Свечения некоторых веществ в темноте

Г. Излучение нагретого твердого тела

3.      Интенсивность света, падающего на фотокатод, уменьшилась в 10 раз. При этом уменьшилась:

А. Максимальная скорость фотоэлектронов

Б. Максимальная энергия фотоэлектронов

В. Число  фотоэлектронов

Г. Максимальный импульс фотоэлектронов

2 вариант

1.        Кинетическая энергия фотоэлектронов, выбиваемых из металла при фотоэффекте, не зависит от А – частоты падающего света; Б – интенсивности падающего света; В - площади освещаемой поверхности. Какие утверждения правильны?

А.  Б и В

Б.  А и Б

В.  А и В

Г.  А, Б и В 

2.        Металлическую пластину по очереди освещали монохроматическим светом одинаковой интенсивности:

красным, зеленым, синим. В каком случае максимальная кинетическая энергия электронов была наибольшей?

А. При освещении красным светом

Б. При освещении зеленым светом

В. При освещении синим светом

Г. Во всех случаях одинаковой

3.        При фотоэффекте работа выхода электронов из металла зависит от:

А. От частоты падающего света

Б. Интенсивности падающего света

В. Химической природы металла

Г. Кинетической энергии вырываемых электронов Ответы на устные вопросы:

Что называется фотоэффектом? 

Законы фотоэффекта.

В чем состоят заслуги Столетова в изучении фотоэффекта и использовании его на практике?

С помощью какой установки можно провести изучение зависимости фототока от напряжения?

 Как зависит фототок от напряжения? Что понимают под задерживающим напряжением? Чем определяется его величина?

От чего зависит число фотоэлектронов, вырываемых в единицу времени с поверхности металла?

От чего зависит скорость фотоэлектронов?

Что такое красная граница фотоэффекта? От чего за­висит ее величина? Изучение нового материала.

Уравнение Эйнштейна

В 1905 г. для объяснения явления фотоэффекта Эйнштейн использовал квантовые представления о свете, введенные в 1900 году Планком, и применил их к поглощению света веществом. Монохроматическое световое излучение, падающее на металл, со­стоит из фотонов-квантов света с энергией W = hv. Электроны поверхностного слоя металла получают энергию этих фотонов, при­чем взаимодействие излучения с веществом состоит из множества элементарных взаимодействий, каждое из которых заключается в том, что один электрон целиком поглощает энергию одного фото­на.

Если энергия фотона W равна или превышает работу выхо­да, то электроны вылетают из металла. При этом часть энергии фотона тратится на совершение работы выхода А_в, а остальная часть     переходит     в     кинетическую     энергию     фотоэлектрона:

W = А_в+ mv²_max/2 hv = А_в + mv²_max/2

— уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Энергия кванта света идет на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии.

Это уравнение представляет собой закон сохранения энергии в применении к фотоэффекту.

На основе квантовых представлений о свете можно объяс­нить законы фотоэффекта.

Известно, что световой поток Ф = W/t, где W — световая энергия, переносимая за время t. Согласно квантовой теории эта энергия   переносится   фотонами.   Следовательно,    W = n_фhv,   где n_ф — число фотонов, падающих на вещество. Очевидно, что число электронов п_э, вырванных из вещества, пропорционально числу фотонов, падающих на вещество, т.е. п_э ~ n_ф, а следовательно, п_э ~ Ф. Таким образом, мы объяснили первый закон фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна следует, что   mv²_max/2=hν-A_вых и A_вых= hν₀

Отсюда видно, что максимальная кинетическая энергия фо­тоэлектронов линейно зависит от частоты падающего света, а красная граница фотоэффекта — от рода вещества катода. (II и III законы фотоэффекта).  

Фотоны.

Порция светового излучения — квант света — обладает корпускулярными свойствами и может рассматриваться как эле­ментарная частица, называемая фотоном. Фотоны являются носи­телями свойств электромагнитного поля. Чем выше частота излу­чения, тем сильнее проявляются корпускулярные (или квантовые) свойства света.

Световые частицы — фотоны — обладают энергией

W = hv = hc/λ ,

где h — постоянная Планка; λ — длина световой волны; v — ее частота; с — скорость света.

Согласно соотношению Эйнштейна между массой и энерги­ей, следующему из теории относительности

W = тс² => m = w/c² = hv/c² = h/cλ . Масса фотона, определяемая из этих формул, — это масса движущегося фотона, так как в состоянии покоя фотон не суще­ствует. Скорость, с которой движется фотон, равна скорости све­та.

Найдем импульс фотона:

p = mc = h/ λ = hv/c .

То, что фотон обладает импульсом, экспериментально подтверждается открытием светового давления.

Если свет является монохроматическим, то все фотоны в этом случае имеют одинаковые энергию, массу и импульс.

Фотоны возникают (излучаются) при переходах атомов, молекул, ионов и атомных ядер из возбужденных энергетических состояний в состояния с меньшей энергией.

Фотоны излучаются также при ускорении и торможении заряженных частиц, при распадах некоторых частиц и уничтожении пары электрон-позитрон.

Процесс поглощения света веществом сводится к тому, что фотоны целиком передают свою энергию частицам вещества. Процесс поглощения света рассматривается в квантовой физике как дискретный и во времени, и в пространстве.

 Разбор задач по теме.

Задача 1.Определите кинетическую энергию и скорость фотоэлектронов, вылетающих из катода, изготовленного из оксида бария при его освещении зеленым светом с длиной волны 550 нм. Работа выхода электрона 1,2 эВ.  

Задача 2.Чему равен импульс фотона, которому в среде с показателем преломления n соответствует длина волны λ?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

§ 89, 90

Упр. 12 (3,4)

УРОК 4.

Д А В Л Е Н И Е С В Е Т А . 

Х И М И Ч Е С К О Е Д Е Й С Т В И Е С В Е Т А . 

Цель урока: Закрепить знания по основам квантовой теории света и объяснить области проявления корпускулярных и волновых свойств света.

 Проверка знаний:

Письменная работа (10 минут)

           1 вариант

1.  Что такое фотоэффект и при каком условии он возникает?

2.  Красная граница фотоэффекта у некоторых металлов равна 200 нм. Какова работа выхода электронов у этих металлов? (6,2 эВ)

          2 вариант

1.  Законы внешнего фотоэффекта. 

2.  Работа выхода электронов из золота 4,59 эВ. Чему равна красная граница фотоэффекта для золота? (270 нм)

           3 вариант

1.  Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

2.  Определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов калия при его освещении излучением с длиной волны 500 нм. Работа выхода электронов из калия 2,26 эВ. (0,356 Дж)  4 вариант

1.              Фотоны. Масса, импульс фотонов.

2.              светлыми и черными дисками, изготовленными из металли­ческой фольги. Рамка была подвешена внутри сосуда, из которого был откачан воздух. (демонстрация крутильных весов)

Свет, падая на крылышки, оказывал на светлые и черные диски разное давление, в результате чего на рамку действовал вращающий момент, который закручивал нить подвеса. По углу закручивания нити определялось давление света.

Трудности измерения светового давле­ния вызывались его исключительной мало­стью и существованием явлений, сильно влияющих на точность измерений. К их чис­лу относилась невозможность полностью откачать воздух из сосуда, что приводило к (возникновению   так   называемого   радиометрического эффекта.) Сущность этого явления состоит в следующем.  Вследствие того, что сторона крылышек, обращенная к источнику света, нагревается сильнее противоположной стороны, молекулы воздуха, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отра­жающиеся от менее нагретой стороны, что приводит к появлению дополнитель­ного вращающего момента.

Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие, тем не менее, может оказаться существенным. Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвин давление электромагнитного излучения должно достигать громад­ного значения. Силы светового давления наряду с гравитацион­ными силами играют существенную роль во внутризвездных про­цессах.                          

Химическое действие света.

Химическое действие света проявляется в том, что сущест­вует целый ряд химических превращений, происходящих только под действием света. Химические реакции, протекающие под дей­ствием света, называют фотохимическими.

Фотохимические реакции могут протекать либо по пути синтеза (образование под действием света из молекул исходных веществ более сложных молекул) либо по пути разложения (образование под действием света простых молекул из более сложных).

светлыми и черными дисками, изготовленными из металли­ческой фольги. Рамка была подвешена внут-

ри сосуда, из которого был откачан воздух. (демонстрация крутильных весов)

Свет, падая на крылышки, оказывал на светлые и черные диски разное давление, в результате чего на рамку действовал вращающий момент, который закручивал нить подвеса. По углу закручивания нити определялось давление света.

Трудности измерения светового давле­ния вызывались его исключительной мало­стью и существованием явлений, сильно влияющих на точность измерений. К их чис­лу относилась невозможность полностью откачать воздух из сосуда, что приводило к (возникновению   так   называемого   радиометрического эффекта.) Сущность этого явления состоит в следующем.  Вследствие того, что сторона крылышек, обращенная к источнику света, нагревается сильнее противоположной стороны, молекулы воздуха, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отра­жающиеся от менее нагретой стороны, что приводит к появлению дополнитель­ного вращающего момента.

Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие, тем не менее, может оказаться существенным. Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвин давление электромагнитного излучения должно достигать громад­ного значения. Силы светового давления наряду с гравитацион­ными силами играют существенную роль во внутризвездных про­цессах.                          

Химическое действие света.

Химическое действие света проявляется в том, что сущест­вует целый ряд химических превращений, происходящих только под действием света. Химические реакции, протекающие под дей­ствием света, называют фотохимическими.

Фотохимические реакции могут протекать либо по пути синтеза (образование под действием света из молекул исходных веществ более сложных молекул) либо по пути разложения (образование под действием света простых молекул из более сложных).

Фотохимические реакции часто сопровождаются вторичны­ми химическими превращениями.

Установлено, что масса вещества, участвующего в ходе пер­вичной фотохимической реакции, пропорциональна энергии све­тового излучения, поглощенного веществом.

Для каждой фотохимической реакции существует пороговая частота v, которую называют красной границей данной реакции. Свет с частотой v < v₀ не может вызвать данную фотохимическую реакцию.

Закономерности фотохимических реакций могут быть объ­яснены на основе квантовой теории: атомы в молекулах удерживаются благодаря химическим связям. Если энергии поглощаемо­го молекулой кванта хватает для разрыва связи, то фотохимиче­ская реакция происходит (v > v₀), если же v < v₀, то реакция не происходит. Многие фотохимические реакции играют важную роль в природе и технике. Фотохимические законы. Исходя из фотонной структуры света, А. Эйнштейн сформулировал следующие два закона:

Каждый поглощенный веществом фотон вызывает превра­щение одной молекулы. Это — основной закон фотохимии, имею­щий квантовое происхождение.

Молекула вступает в фотохимическую реакцию под дей­ствием фотона лишь в том случае, когда энергия фотона не меньше определенного значения, необходимого для разрыва молекулярных связей (энергии диссоциации). Если энергия фо­тона меньше этой энергии, то реакция не произойдет. Если же энергия фотона больше энергии диссоциации, то избыток энергии содержится в продуктах распада молекул, т. е. в активных радикалах.

 Заметим, что граница фотохимической реакции по энергии фотона полностью аналогична красной границе фотоэффекта. На основе этого закона можно легко объяснить, почему, например, фотобумага нечувствительна к красному и инфракрасному свету. Для фотографирования в инфракрасном свете создается спе­циальная фотопленка, где в светочувствительный слой вносятся определенные добавки — активаторы, снижающие энергетический порог фотохимической реакции. Выцветание тканей на солнце и образование загара — это примеры химического действия света. Важнейшие химические реакции под действием света происходят в зеленых листьях деревьев и травы, в иглах хвои и во многих микроорганизмах.

Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепля­ют его молекулы на составные части: углерод и кислород. Проис­ходит это, как установил русский биолог К.А.Тимирязев, в моле­кулах хлорофилла под действием красных лучей солнечного спектра. Пристраивая к углеродной цепочке атомы других эле­ментов, извлекаемых корнями из земли, растения строят молеку­лы белков, жиров и углеводов — пищу для человека и животных.

Все это происходит за счет энергии солнечных лучей. При­чем здесь особенно важна не только сама энергия, а та форма, в которой она поступает. Фотосинтез — процесс образования под действием света углеводов с выделением кислорода в растениях и некоторых микроорганизмах:

СО₂ + Н₂О + hv →  (C₆H₁₂О₆) + О₂

Химическое действие света лежит и в основе фотографии. Чувствительный слой фотопластинки состоит из маленьких кри­сталликов бромида серебра (AgBr), вкрапленных в желатин. По­падание световых квантов в кристаллик приводит к отрыву элек­тронов от отдельных ионов брома. Эти электроны захватываются ионами серебра, и в кристаллике образуется небольшое количест­во нейтральных атомов серебра. Полученное на фотопластинке под действием света изображение объекта называют скрытым.

Рас­смотрим механизм возникновения фотографического изобра­жения.

При поглощении фотона с энергией hv молекула бромида серебра, входящего в состав светочувствительного слоя, рас­падается по схеме:

AgBr + hν = Ag*+Br⁺ +e^-.

Здесь Ag*— энергетически возбужденный атом серебра, Вг⁺ — положитель­ный ион брома, е^- — электрон.

Под действием проявителя бром растворяется, а оставшие­ся атомы серебра дают негативное изображение: фотобумага сильнее почернеет в тех местах, куда падало больше света. Далее негатив обрабатывается закрепителем, который растворяет непрореагировавший бромид серебра. Фотография получила широкое распространение в науке и технике. Современные достижения позволяют производить фото­графирование не только при видимом свете, но и в темноте (в ин­фракрасных лучах). Фотографию применяют также для записи звука в кино.

Возбужденные под действием света атомы, молекулы или их части называются активными радикалами. При их участии про­текают различные химические реакции.

Так, например, молекулы хлора (Сl) и водорода (Н₂) в темноте не взаимодействуют, а на свету вступают в химиче­скую реакцию, образуя хлороводород (НС1). Разрыв электрон­ных связей в молекуле при поглощении ею фотона, т. е. разделе­ние ее на атомы под действием света, является фотохимической реакцией: 

H₂ + hν = H* +Н.

Затем идут вторичные химические реакции, которые представляют собой цепь последовательных превращений. Образуется цепная химическая реакция. Такие реакции распространены в химии, они протекают в процессах горения и взрыва. Теорию цепных химических реакций создал академик Н. Н. Семенов.

Фотосинтез углеводов. Рассмотрим в общих чертах важ­нейшую фотохимическую реакцию — фотосинтез углеводов (крах­мала) в зеленом листе растения. Процесс этот весьма сложен, он связан с множеством вторичных биохимических реакций, рассмотрение которых здесь невозможно, но суть дела сводится к следующему.

За счет поглощения нескольких (примерно, трех) фотонов с длиной волны около 600 нм молекула хлорофилла приходит в возбужденное состояние (активированная молекула) и, реаги­руя с молекулой воды, разлагает ее на водород и кислород. Последний выделяется в атмосферу, а атомарный водород при­соединяется к оксиду углерода (IV) (углекислому газу), вслед­ствие чего синтезируются углеводы, из которых затем строятся жиры, белки и другие составные части организмов.

Фотосинтез — основа жизни на Земле. Это единственный процесс, в результате которого органический мир за счет энергии излучения Солнца пополняет внутреннюю энергию, расходуемую в процессе жизнедеятельности. По современным представлениям почти весь кислород в атмосфере Земли образовался и поддерживается за счет фотосинтеза в листах растений и в зеленых водорослях. В частности, в атмосфере других планет, например Венеры и Марса, практически нет кислорода, что согласуется с фактом отсутствия там органической жизни.

ВОПРОСЫ.

Какую   роль   играют   активные   радикалы   в   цепных   химических   реакциях?

Сформулируйте законы Эйнштейна для фотохимических реакций. Сравните их с законами фотоэффекта. Что у них общего? 

Как образуется фото­графический негатив? 

Каков механизм фотосинтеза?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

§ 92,93

Упр. 12 (5,6,7)

УРОК 5.

Р Е Ш Е Н И Е З А Д А Ч . 

Цель урока: Закрепить знания по основам квантовой теории света, корпускулярных и волновых свойств света.

 Проверка знаний:

Вопросы для устного ответа:

На что расходуется энергия кванта, поглощенного фо­тоэлектроном? Как записывается уравнение Эйнштейна для фотоэффекта? Как объяснить законы фотоэффекта с кванто­вой точки зрения?

Что такое фотон? Может ли он существовать в со­стоянии покоя? Чему равна его скорость в любой среде?

 Как определить энергию, массу и импульс фотона?

Цезиевый фотоэлемент освещают синим светом. Как изменится величина фототока, если его освещать ультрафиолетовым излучением той же интенсивности? если интенсив­ность излучения увеличить в 2 раза?

Почему давление света на черную поверхность меньше, чем на белую? Одинаково ли будет давление света на поверхность, если длина волны падающего света будет изменяться?

 Почему хвост кометы всегда направлен от Солнца, хотя между веществом и Солнцем существует гравитационное притяжение?

Решение задач (тексты с задачами раздаются на парты):

Задача № 1. Наибольшая длина волны света, при которой происходит фото­эффект для вольфрама, равна 275 нм. Найти работу выхода электронов из вольфрама и наибольшую скорость электронов, вырываемых из вольфрама светом с длиной волны, равной 180 нм.

υ= 9,1*10⁵ м/с.

Задача № 2. Какую разность потенциалов тормозящего электрического поля надо приложить к электродам фотоэлемента, чтобы полностью за­тормозить фотоэлектроны, вылетающие из катода при освещении его лучами с длиной волны 200 нм, если работа выхода 4,0 эВ?

U_з= 2,2 В.

Задача № 3. С какой скоростью должен двигаться электрон, чтобы его ки­нетическая энергия была равна энергии фотона с длиной волны 520 нм?

υ = 9,2*10⁵ м/с.

Задача № 4.  Найти массу фотона: а) красных лучей света (λ= 700 нм); б) рентгеновских лучей (λ = 55 нм); в) гамма-лучей (λ = 1,24 нм).

( 3,2*10^-36 кг, 8,8*10^-32 кг, 1,8*10^-30 кг).

Разбор теста 1 и теста 2 (интерактивные модели) , см. Приложение.

Задание для закрепления пройденного материала (самостоятельная работа на местах).

Задача 1. Какую энергию должен иметь фотон, чтобы его масса была равна массе покоя электрона? (8*10^-4 Дж)

Задача 2. Определить энергию фотона, если соответствующая ему длина волны равна 0,016 м. (1,2*10^-15Дж)

Задача 3.  Найти задерживающую разность потенциалов для электронов, вырываемых при освещении калия света с длиной волны 330 нм. (1,4 В)

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1.                  Определить кинетическую энергию электронов, если на поверх­ность цинка падает свет длиной волны 200 нм. Красная граница фотоэф­фекта 290 нм. (4,2 эВ)

2.                  С какой скоростью должен двигаться электрон, чтобы его им­пульс был равен импульсу фотона с длиной волны 520 нм? (1400 м/с)

УРОК 5.

К О Н Т Р О Л Ь Н А Я Р А Б О Т А П О Т Е М Е :

« Ф О Т О Э Ф Ф Е К Т . У Ч Е Н И Е О К В А Н Т А Х » .

1   ВАРИАНТ 

1.   Энергия фотона, соответствующая красной границе фотоэффекта для калия, равна 7,2*10^-19 Дж. Определите максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, если на металл падает свет, энергия фотонов которого равна 10^-18 Дж.

А. 2,8*10^-19 Дж

Б. 0 Дж

В. 1,72*10^-18 Дж

Г. 7,2*10^-19 Дж

2.   Фотоны с энергией 2,1 эВ вызывают фотоэффект с поверхности цезия, для которого работа выхода равна 1,9 эВ. Чтобы максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов увеличилась в 2 раза, нужно увеличить энергию фотонов на:

А. 0,1 эВ

Б. 0,2 эВ

В. 0,3 эВ Г. 0,4 эВ

3.   Какова энергия фотона, соответствующего длине световой волны 6 мкм?

А. 3,3*10^-40 Дж

Б. 4*10^-39 Дж

В. 3,3*10^-20 Дж

Г. 4*10^-19 Дж

4.   Красная граница фотоэффекта для калия равна 6,2 • 10^-5 см. Найти: 1) величину задерживающего потенциала для фотоэлектронов при действии на калий излучения с длиной волны 3,3 * 10^-7 м; 2) работу выхода электрона из калия.

2   ВАРИАНТ

1.    Красная граница фотоэффекта исследуемого металла соответствует длине волны λ_кр=600 нм. При освещении этого металла светом с длиной волны λ максимальная кинетическая энергия выбитых из него фотоэлектронов в 3 раза меньше энергии падающего света. Чему равна длина волны λ падающего света?

А. 133 нм

Б. 300 нм

В. 400 нм

Г. 1200 нм

2.    Оцените максимальную скорость электронов, выбиваемых из металла светом длиной     волны 300 нм, если работа выхода 3*10^-19 Дж.

А. 889 м/с

Б. 8 км/с

В. 3*10⁸ м/с

Г. 889 км/с

3.    Частота красного света в 2 раза меньше частоты фиолетового света. Импульс фотона красного света по отношению к импульсу фотона фиолетового света

А. Больше в 2 раза

Б. Меньше в 2 раза

В. Больше в 4 раза

Г. Меньше в 4 раза

4.    Работа выхода электронов из золота равна 4,59 эВ. Найдите красную границу фотоэффекта для золота.

Будет ли наблюдаться фото­эффект при облучении золота видимым излучением?

И С П О Л Ь З У Е М А Я Л И Т Е Р А Т У Р А :

Аксенович Л.А., Ракина Н.Н. «Физика. Оптика, атом и ядро», ДизайнПРО, 1997г.; Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. «Физика-11», Москва №Просвещение», 2004г.

Пинский А.А. «Физика-11», Москва «Просвещение», 1994г.;

Рябоволов Г.И., Самойленко П.И., Огородникова Е.И. «Планирование учебного процесса по физике», Москва «Высшая школа», 1991г.;

Степанова Г.Н. «Физика-11», СПб, «СТП Школа», 2003г.;

ЕГЭ 2009. Физика. «Сборник экзаменационных материалов», Москва, «Эксмо», 2009г.; www.fcior.edu.ru (программное обеспечение OMS)