Фотоэффект құбылысы. Физика, 9 сынып, дидактикалық материал.

«Атомдық физика. Зарядталған бөлшектер» бөліміне сабақты бағыттаушы карта.

І. «Бірге ойланайық» оқушылармен видеокөріністі көргеннен кейін мына сұрақтарға жауабыңды жұппен (көршілес партадағы оқушылармен) талқыла (5 мин).

1.Электрлену мен жарықтану құбылыстарының қызметі қандай ?

2. Ультракүлгін сәулемен (УК) сәулелендіргенде неге электроскоп жапырақшасы төмен түсті?

Жауаптарыңды мұғаліммен талқылаңдар.

ІІ. Бүгінгі сабақтың тақырыбы, оқу мақсаты және жетістік критерийлерімен танысыңдар.

ІІІ. Берілген мәтінді оқып шығып, дәптеріңе қысқаша ұғымдарды, анықтамаларды және ең маңыздыларын жазып алыңдар (15 мин).

Теориялық түсінік

Температурасы абсолют нөлден ерекше болатын кез-келген дене өзiнен сәуле шығарады. Бiрақ, көп жағдайда бұл сәулелердiң толқын ұзындығы адам көзi сезе алатын толқын ұзындығының аймағынан тысқары жатқандақтан бiз оны көре бермеймiз. Денелердiң өзiнен бұлай сәуле шашуын жылулық сәуле шығару деп атайды. Шығарылатын сәулелердiң қарқындылығы және қандай толқын ұзындықтарындағы сәулелердi басымдылықпен шығаратындығы сол сәуле шашып тұрған дененiң температурасына байланысты. Әрбiр дене өзiнен сәуле шашып ғана қоймайды, сонымен қатар өзiне түскен сәуленi жұтады да. Дененiң қандай толқын ұзындығындағы сәуленi қарқындырақ жұтатындығы да оның температурасымен анықталады. Толқын ұзындығының қандай болғанына қарамастан өзiне түскен барлық сәуленi жұтатын денелердi абсолют қара денелер деп атайды. Абсолют қара дене ретiнде кiшкене саңлауы бар, iшкi бетi жақсы шағылдыратын қоспамен қапталған бiтеу дененi қарастыруға болады

Денелердiң сәуле шашуы және жұтуы осы дененi құрайтын атомдардың тербелiстерiмен және сол атомдарда болатын өзгерiстермен байланысты. Ал заттағы атомдардың саны болса орасан көп. Олардың әр қайсысы бiр-бiрiнен тәуелсiз өз бетiнше тербеледi де соның салдарынан шығаратын сәуленiң жиiлiгi және оған сәйкес толқын ұзындығы әртүрлi болады.

Шығаратын сәуленiң энергиясының толқын ұзындығы бойынша қалай таралатыны тәжiрибе арқылы өлшенді. Тәжiрибе жасалған соң ғалымдардың алдында теориялық тұрғыдан түсiндiру мiндетi туындылады. Классикалық физикада кез-келген жүйенің энергиясы үздіксіз өзгереді, сондықтан классикалық физика дәрменсіз еді. Қиыншылықтан шығудың жолын алғаш рет 1900 жылы Макс Планк тапты.

Классикалық физикада сәуле шашу және жұту үздiксiз үрдiс ретiнде қарастырылады. Терең зерттеулер барысында М.Планк осы түсiнiктiң шындыққа жанаспайтынын байқады. Осымен байланысты ол өзiнiң мынадай әйгiлi болжамын ұсынды : денелердiң сәуле шашуы және жұтуы үздiксiз үрдiс емес, олар сәулелердi белгiлi үлестер – кванттар түрiнде шығарып, жұтады. (quantum – латын сөзi, мөлшер дегендi бiлдiредi).

Мұндай жарық кванттарының ие бола алатын ең аз энергиясы Планк теориясы бойынша оларға сәйкес келетiн толқындарының жиiлiгiне пропорционал, яғни

мұндағы ν- жиiлiк, ал h=6,326·10^-34 Дж·с – Планк тұрақтысы.

Кез-келген жиiлiк үшiн шығарылатын энергияның мәнi осы ең аз энергияға тең немесе еселi болады.

Жарықтың кванттар түрiнде шығатыны туралы болжам жылулық сәуле шығарудың тәжiрибеге сәйкес келетiн дұрыс теориясын жасауға мүмкiндiк бердi. Жарықтың үлестер түрiнде шығарылып, жұтылатыны туралы идея физиканың одан арғы дамуында шешушi роль атқарды. Планктiң осы идеяларынан бастау алған кванттық теория қазiргi заман физикасының ең күштi теорияларының бiрi.

Ең маңыздысы!

1. Сәулелену қуатын дененің интегралдық энергетикалық жарқырауы деп атайды.

2. Дененің сәулелену қуаты температураға тәуелді.

3. Дененің түскен сәуле энергиясын жұтуы спектрлік жұту қабілеті деп аталады.

4. Абсолют қара дененің интегралдық энергетикалық жарқырауы (R) абсолют температураның төртінші дәрежесіне тура пропорционал:

R=T⁴

(1879 ж. И.Стефан тәжірибе нәтижесін зерделей отырып, ал 1884 ж. Л.Больцман теориялық жолмен тағайындады)

^-8 Bт/ м² · K⁴ -Стефан-Больцман тұрақтысы.

5. Неміс физигі Винн абсолют қара дененің сәулелену қабілетінің максимумы сәйкес келетін жиіліктің температураға тәуелділігін тағайындады:

( b=2,9·10^-3 м·К- Винн тұрақтысы

ІV. http://bilimland.kz/kk/#lesson=10915 Кванттық физика-Жылулық сәулелену. Стефан-Больцман заңы-7 Слайд. Симуляцияны пайдаланып, әрбір оқушы жұлдыздың температурасын анықтайды (12 мин) .

Сәулелену қуаты неге тәуелді? Сұрақ жауабын бір-біріңмен талдаңдар.

V. 1 сабаққа рефлексия. E=h f формуласы және оны пайдалану, Стефан-Больцман және Венн формулаларының физикалық мағынасына сипаттама беріңдер.

Екінші сабақ. Төмендегі суреттерге назар аударыңдар. Екі тәжірибе бір-бірімен қалай байланысты?

2 сабақтың мақсаты:

- фотоэффект электромагниттік сәулеленудің корпускуларлық сипатын дәлелдейтіндігін түсінеді;

-фотоэффектінің қызыл шекарасы деген ұғымды түсіну.

-фотон энергиясы, электронның шығу жұмысы арқылы фотоэффекті құбылысын түсінеді;

-hf = A_шығ+ mv²_{ma x}/2 формуласын біледі, түсіне алады және пайдаланады;

І. (W) Тақырыпты меңгеру ресурстарымен жұмыс (20мин) .

(а) http://www.youtube.com/watch?v=v5h3h2E4z2Q&feature=related

Видеоресурсты көріп болғаннан кейін дискретті бөлшек, фотон, фотоэлемент, фотоэмиссия, сыртқы фотоэффект, электронды-сәулелі түтікше, фотон энергиясы cөздеріне түсінік беріңдер және дәптерге жазыңдар.

(б) Максвеллдің теориясы фотоэффект құбылысын түсіндіре алмады. 20 ғасырдың басында А. Эйнштейн , М. Планктың жарықтың үздікті ұғымын пайдаланып, фотоэффект теориясын жасады. Эйнштейннің теориясы бойынша атомдағы электрон, энергиясы Е=hv тең жарық квантын алып, металдан шығар кезде, сол энергияның бір бөлігін электронның шығу жұмысына, кинетикалық энергиясымен металды тастап шығады.

Фотоэффект теориясының теңдеуі. немесе . -жарық квантының жиілігі, - толқын ұзындығы, С-жарық жылдамдығы. Егер жарық квантының энергиясы электронның шығу жұмысынан аз болса А>hv фотоэффект құбылысы болмайды. Фотоэффект құбылысы болатын минималь жиілік пен толқын ұзындығын фотоэффектің қызыл шекарасы деп аталады. hv_м немесе һс/_мА осыдан фотоэффект құбылысы байқалатын жиілік және толқын ұзындығы ,

Фотоэффект заңы:

1. Қанығу тогы жарық ағынының интенсивтілігіне прапорциональ. Фототок нольге тең болу үшін ток көзінің электрондарды тоқтату үшін атқарылған жұмысы, электрондардың заттан ыршып шыққан кинетикалық энергиясына тең болу керек.

2.Фотоэлектрондардың максималь кинетикалық энергиясы жарықтың жиілігіне ғана тәуелді.Жарықтың жиілігі артқан сайын, фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясы артады.

3. Егер жарықтың жиілігі қарастырылып отырған зат үшін фотоэффект болатын минималь жиілігінен төмен болса фотоээфект құбылысы болмайды( фотоэффектің қызыл шекарасы).

(в) Phet.colorado.edu /en/ simulation / photoelectric немесе

https://www.youtube.com/watch?v=ubkNGwu_66s

(І) Жеке жұмыс. Виртуалды демонстрацияны орындаңдар және орындай отырып, қорытынды жасаңдар( әрбір этапқа жеке-жеке)

Мұғаліммен жауаптарыңды тексеріңдер

ІІІ. (І) Есеп шығарыңдар және жауабын бір-біріңмен тексеріңдер. Жеке жұмыс (14 мин).

1.Толқын ұзындығы λ=0,45 мкм сәулелену әсерінен мырышта фотоэффект байқала ма? Электрондардың мырыштан шығу жұмысы А_шығ=4,2 эВ.

2. Күміс үшін фотоэффектінің ұзынтолқынды шекарасы λ₀=0,29 мкм. Электронның А_шығу жұмысын анықтаңдар.

3. Фотоэлементтің фольфрам катодына толқын ұзындығы λ=0,1 мкм ультракүлгін сәулелер түседі. Қандай кернеуде фотоэлементтің катоды мен аноды арасындағы тізбектегі фототок нольге тең (яғни бірде-бір фотоэлектрон анодқа дейін жетпейді)? Электрондардың вольфрамнан шығу жұмысы А_шығ=4,5 эВ.

4. Рентген түтігі қандай кернеуде жұмыс жасайды, егер оның рентген спектріндегі ең мықты сәулелері ν=1∙10¹⁹ Гц жиілікке ие болса?

5. Калий үшін фотоэффектінің λ₀ қызыл шекарасын анықтаңдар. Электронның калийден шығу жұмысы Ашығ=2,2 эВ-қа тең.

6. Цезийдің бетіне түсетін жарық толқындарының λ толқын ұзындығы неге тең, егер цезийден ұшып шығатын фотоэлектрондар v=2∙10⁴ м/с жылдамдыққа ие болса. Цезий үшін фотоэффектінің қызыл шекарасы λ₀ =690 нм.

7. Қандай υ жылдамдықта электрон толқын ұзындығы λ =100 нм болатын квант энергиясына тең кинетикалық энергияға ие болады?

2 Сабаққа қорытынды жасаңдар. Сабақ барысында жаңа материалдарды игеруде қандай қиындықтар туындағанын атаңдар.