Фотоэффект (1979)

-

-

В кадре прибор, крутятся валики.

Внешний фотоэффект, опыт - в кадре кабинет, на столе специальные приборы для проведения опыта.

На столе электрометр и ультрафиолетовый осветитель.

Установка состоит из цинковой пластины, электрометра и дуговой лампы.

Мужчина подходит к установке, трет палочку салфеткой, подносит её к электрометру - заряжает пластину отрицательно.

Крупно - движется стрелка электрометра.

Включается дуговая лампа.

Пластина начинает разряжаться.

Мужчина прикасается палочкой к цинковой пластине.

Опытная установка - показано, что свет от дуговой лампы направлен на цинковую пластину.

Портрет ученого, физика Генриха Герца.

Портрет физика А. Г. Столетова.

На столе установка для физического опыта.

Установка состоит из цинковой и медной пластин.

Медная, в виде сетки, пропускает свет от дуговой лампы.

Показано, что цинковая пластина заряжена отрицательно, а сетка - положительно.

Мужчина включает лампу, освещает пластину.

Крупно - гальванометр показывает наличие тока в цепи.

Мужчина выключает лампу.

В кадре показания гальванометра - ток прекращается.

Крупно - рука включает лампу.

На анимированном рисунке - опыт, схема установки.

Батарея переключается, цинковая пластина заряжена положительно, свет от лампы направлен на пластину - ток в цепи не возникает.

Показано, что при отрицательно заряженной пластине ток возникает - только отрицательно заряженные электроды разряжаются под действием света.

Под действием света из отрицательно заряженной пластины вырываются электроны, называемые также фото-электронами, устремляются к положительно зараженной сетке и гальванометр фиксирует ток в цепи.

Крупно - гальванометр.

Когда цинковая пластина заряжена положительно, она притягивает фото-электроны, этим и объясняется отсутствие тока.

При попадании света на вещество фотоэффект возникает сразу, он практически безынерционен.

Кабинет, опытная установка на столе.

Для изучения фотоэффекта электроды помещают в стеклянный баллон, из которого выкачен воздух.

Свет падает через кварцевое стекло и попадает на один из электродов, например, на цинковый.

На электроды подается напряжение, которое можно менять.

На соле - установка для опыта.

Кроме видимого света на катод падает невидимый (ультрафиолетовый).

Каждый участок спектра характеризуется определенными значениями длин волн (в кадре числа-значения).

Кварцевое стекло пропускает весь спектр - мы наблюдаем фотоэффект.

Крупно - мужчина перекрывает поток обыкновенным стеклом.

На анимированном рисунке видно, что фотоэффект прекратился.

Мужчина убирает стекло.

На анимированном рисунке видно, что фотоэффект возобновляется.

У цинкового катода фотоэффект вызывает только ультрафиолетовое излучение.

Цинковый катод заменяется цезиевым - фототок появляется.

Крупно - окошко в установке перекрывается обыкновенным стеклом.

На анимированном рисунке видно, что ультрафиолетовое излучение задержано, однако фотоэффект не прекращается.

Крупно - окошко в установке перекрывается фиолетовым стеклом (элемент освещается фиолетовым светом).

Крупно - прибор гальванометр (ток есть).

Показано, как окошко последовательно перекрывается различными фильтрами.

Крупно - прибор гальванометр (ток есть).

Крупно - рука вставляет в установку желтый фильтр.

На анимированном рисунке видно, что фотоэффект прекращается.

Ставится зеленый фильтр - фотоэффект возобновляется.

Для каждого вещества существует минимальная частота света, называемая красной границей, при которой еще возможен фотоэффект.

Показана зависимость фототока от напряжения между электродами.

С увеличением напряжения сила тока увеличивается.

При некотором напряжении сила фототока достигает максимального значения (ток насыщения).

Все фотоэлектроны достигают анода.

Опыт (анимированный рисунок) - световой поток увеличивается в два раза.

В два раза увеличивается и ток насыщения.

Число электронов, выбиваемых за единицу времени, прямо пропорционально световому потоку.

Этот вывод получил название "закона Столетова".

Крупно - опытная установка, напряжение уменьшается до нуля.

В кадре прибор - микроамперметр (он показывает ток).

На анимированном рисунке видно, что небольшая часть электронов всё же достигает анода.

Чтобы ток стал равным нулю, подается напряжение противоположного знака (запирающее напряжение).

На анимированном рисунке видно, как возникает электрическое поле.

Оно совершает работу по торможению электронов.

Фотоэлектрон имеет кинетическую энергию (выводится формула).

Электрическое поле возрастает (выводится формула).

Когда работа тормозящего поля станет равной максимальной энергии фотоэлектрона - ток прекратится.

Измерив запирающее напряжение, можно узнать кинетическую энергию и скорость фотоэлектронов.

Кабинет, на столе стоит опытная установка.

Анимированный рисунок - показано, что фототок не появляется при увеличении освещения, то есть энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности освещения.

Энергия фотоэлектронов зависит от материала катода (показаны катоды из цинка, калия, цезия).

Показано, какой будет эффект при изменении частоты света.

Крупно - рука вставляет в окошко установки зеленое стекло.

Анимированный рисунок с установкой.

Крупно - прибор вольтметр (запирающее напряжение равно двум вольтам).

Крупно - рука вставляет в окошко установки голубое стекло.

Анимированный рисунок - увеличивается частота излучения и запирающее напряжение увеличивается.

Энергия фотоэлектронов зависит от частоты света.

Кабинет, на столе стоит опытная установка.

Волновая теория света.

Мужчина подходит к столу, устанавливает прибор.

Опыт с бипризмой Френеля.

Кабинет, стол, мужчина включает прибор, в кадре экран.

На экране - интерференционная картина.

Крупно - источник света перекрывается красным фильтром.

На экране интерференционная картина в монохроматическом свете (эта картина указывает на волновой характер света).

На анимированном рисунке показано, что природа световой волны - электромагнитная.

Энергия волны зависит от индукции магнитного и напряженности электрического полей.

Электрическое поле волны должно действовать на электроны, раскачивать их, увеличивая кинетическую энергию.

Чтобы вырваться из металла, электронам потребуется время.

Анимированный рисунок - в реальном опыте показано, что электроны сразу вылетают из пластины.

Крупно - электрометр, движется стрелка.

Волновая модель не может объяснить безынерционность фотоэффекта.

Анимированный рисунок - цезиевый катод освещается монохроматическим светом.

Крупно - в прибор вставляется цветное стекло.

Анимированный рисунок - наблюдается фотоэффект.

Крупно - рука на приборе, устанавливается напряжение запирания.

Крупно - шкала прибора, движется стрелка.

Анимированный рисунок - фототок прекращается.

При увеличении интенсивности света в волновой модели скорость фотоэлектронов должна зависеть от интенсивности света (анимированный рисунок).

Но в реальном опыте фотоэффект не наблюдается.

Скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света (сравнивают волновую модель и реальный опыт).

Волновая модель не в состоянии объяснить основные закономерности фотоэффекта.

Квантовая модель фотоэффекта.

Портрет физика-теоретика Макса Планка.

Анимированный рисунок - тело, излучающее свет, теряет энергию отдельными порциями (квантами).

Энергия кванта равна произведению постоянной Планка на частоту колебаний световой волны (выводится формула).

В потоке белого света фотоны всех цветов спектра, то есть разных энергий.

Энергия фотоновзависит от частоты света.

Крупно - рука устанавливает цветное стекло на приборе.

Анимированный рисунок - в зеленом свете энергия кванта больше, чем в красном, а в фиолетовом, больше, чем в зеленом.

При уменьшении светового потока уменьшается количество фотонов.

Формула на экране.

Портрет Альберта Эйнштейна.

Анимированный рисунок - показано, что не только излучение, но и поглощение света происходит порциями (световыми квантами или фотонами).

Электрон поглощает падающий фотон, его энергия увеличивается на hv.

Эта энергия идет на преодоление связи с металлом, работу выхода, а также кинетическую энергию вырванного светом электрона (выводится формула - уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта).

Анимированный рисунок - излучение, распространение и поглощение света происходит прерывисто.

Кабинет, у стола с опытной установкой стоит мужчина.

Анимированный рисунок - чтобы электрон мог вырваться из металла, энергия поглощенного фотона должна быть больше работы выхода.

Из цинка электрон выбивается только фотонами ультрафиолетового излучения.

Для цезия работа выхода меньше, чем для цинка, поэтому фотоэффект вызывается фотонами меньшей энергии.

При увеличении светового потока пропорционально увеличивается количество фотонов и выбитых ими фотоэлектронов.

Кабинет, стол, опытная установка, мужчина устанавливает цветное стекло в окошко.

Анимированный рисунок - интенсивность монохроматического света определяет количество фотонов, но не величину энергии каждого из них.

Энергия фотона зависит от частоты света.

Максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит только от частоты света и работы выхода.

Волновые и квантовые свойства света.

Кабинет, опытная установка на столе, панорама на портрет ученого С. И. Вавилова.

Опыт Вавилова - опытная установка состоит из осветителя, щели, стробоскопа, двойной щели Юнга и экрана.

Кабинет, у стола с опытной установкой стоит мужчина.

С помощью щелей Юнга получаем интерференционную картину.

Мужчина делает в экране два отверстия (они приходятся на две светлые полосы).

Вращающийся диск периодически перекрывает световой поток.

Крупно - рука вращает круглую ручку.

При значительных световых потоках отверстия вспыхивают одновременно (это указывает на волновой характер света).

Крупно - рука вращает круглую ручку, уменьшает световой поток.

Мужчина подходит к установке, садится за экраном, смотрит за заднюю поверхность экрана с отверстиями.

Показано, чт отверстия вспыхивают не одновременно.

Число фотонов, падающих в отверстия, колеблется.

Мужчина сидит возле опытной установки, за экраном, делает записи в блокноте.

Экран с отверстиями - если число фотонов меньше порога зрительного ощущения, то отверстие остается темным.

Мужчина наблюдает за экраном и отверстиями.

Когда число фотонов окажется выше, отверстия становятся светлыми.

Панорама на опытную установку, мужчина делает записи.

Наблюдаемую картину можно объяснить наличием у света корпускулярных свойств.

Мужчина возле опытной установки, позади экрана.

Опыт демонстрирует волновые и корпускулярные свойства, которыми обладает свет одновременно.

Волновые и корпускулярные свойства всегда присущи единому материальному объекту - свету.

Анимированный рисунок - волновые свойства проявляются в большей степени при малых частотах, а корпускулярные - при больших.

Работает кинопроектор, на экране появляются изображения различных приборов.

В кадре - фотоэлементы, фотоэлектронные умножители и др.