Люминесценция. Фотоэффект - Физика, 11 сынып, 41 - сабақ

Сабақтың мақсаты:

1. Білімділік мақсаты: Оқушы білімін, іскерлігін, дағды деңгейін бақылау, бағалау.  Фотоэффект пен люминесценция мен  таныстырып солар жайлы түсінік қалыптастыру.
2. Дамытушылық мақсаты: Оқушылардың білім деңгейін және білім мазмұнының тұрақтылығы мен оны игерудегі іскерлік пен дағдыны бақылау.
3. Тәрбиелік мақсаты: Адамгершілікке, ұқыптылыққа, алғырлыққа, отансүйгіштікке, табиғатты аялауға, сыйластық пен әдептілікке баулу.

Сабақтың түрі:жаңа білімді қалыптастыру, жалпылау
Сабақтың әдіс-тәсілдері:  Әңгіме, лекция, дискуссия, кітаппен жұмыс.
Сабақтың көрнекіліктері: плакаттар, суреттер, 

Сабақтың барысы:

І.ДКҰйымдастыру кезеңі:Сәлемдесу; Оқушыларды түгендеу;Оқушылардың назарын сабаққа аудару.
ІІ. ДК. Үй тапсырмасын тексеру, қайталау.
А) теориялық білімдерін тексеру. Ә) практикалық тапсырмаларын тексеру. Б) есептерін тексеру. 
ІІІ.ДК Білімді жан-жақты тексеру./ ІV. ДК. Жаңа материалды қабылдауға әзірлік, мақсат қою.   
Бүгінгі негізгі мақсатымыз оқулық бойынша Фотоэффект пен люминесценциямен   танысамыз. 

1. Жылулық сәулеленудің негізгі қасиеттері қандай?
2. Дененің сәулелену және жұту қабілеттері деген не?

3.Абсалют қара дене деп нені айтады?

4. Бір кванттың энергиясы неге тең?
5. Қара дененің сәулелену қабілеттігінің максимумы  температура өскен сайын қалай қарай жылжиды?

V. ДК.Жаңа материалды меңгерту: Фотоэффект заңдары.  

Фотоэффект туралы толығырақ түсінік алу үшін, заттың бетінен жарықтың әсерінен ыршып шығатын электрондардың (фотоэлектрондардың) саны неге байланысты екенін және олардың жылдамдығын немесе кинетикалық энергиясын анықтап алу қажет. Осы мақсатпен эксперименттік зерттеулер жасалған, олар мынадай. Ішінен ауасы сорылып алынған шыны баллонның ішіне екі электрод салынады 
(2-сурет). Тек көрінетін жарық үшін ғана емес, сондай-ақ ультракүлгін сәулелер үшін де мөлдір, шағын кварц "көз" арқылы баллон ішіндегі электродтардың біріне жарық түседі. Электродтарға кернеу беріледі, оны потенциометрдің жәрдемімен өзгертіп, вольтметрмен өлшеуге болады. Жарықталынатын электродка батареяның теріс полюсі қосылады. Бұл электрод жарықтың әсерінен электрондар шығарады, олар электр өрісінде қозғалып, электр тоғын туғызады. Кернеу аз болғанда, жарық әсерінен ыршып шыққан электрондардың бәрі бірдей екінші электродқа жете бермейді. Егер сәуле шығару интенсивтігін өзгертпей электродтардың арасындағы потенциалдар айырымын арттырсақ, онда ток күші көбейеді. Кернеудің белгілі мәнінде, ток күші максималь мәніне жетеді де, одан әрі артпайды. Ток күшінің максималь мәні I_қ қанығу тогы деп аталады. Қанығу тогы жарықталынатын электродтың 1 с ішінде шығаратын электрондарының санымен анықталады.
Бұл тәжіребеде сәуле шығару интенсивтігін өзгерте отырып, мына төуелділікті анықтау мүмкін болады: жарықтық металл бетінен 1 с ішінде ыршытып шығаратын электрондарының мөлшері сол уақыт ішінде жұтылатын жарық толқынының энергиясына тура пропорционал. Мұнда тосын ешнәрсе жоқ: түсетін жарық шоғының энергиясы неғұрлым көп болса, оның әсері соғұрлым күшті болады.
Еңді электрондардың кинетикалық энергияларын (не жылдамдықтарын) өлшеуге тоқталайық. 3-суретте берілген графиктен нөлдік  кернеуде де фототоктың күші нөлден өзгеше екені көрінеді. Бұл жарықтың әсерінен ыршытып шығарылған
электрондардың бір бөлігі кернеу болмағанда да оң жақтағы электродқа жете алатынын көрсетеді. Егер батареяның полюстігін өзгертсек, онда ток күші азаяды да, кері полюстіктің қандай да бір U кернеуінде ол нөлге тең болады. Ол -  электр өрісі ыршып шыққан электрондарды толық тоқтағанша тежейді де, сонан соң оларды электродқа қайта қайырады деген сөз. Тежеуші кернеу жарық ыршытып шығарған электрондардың максимал кинетикалық энергиясьша тәуелді. Тежеуші кернеуді өлшеп, кинетикалық энергия жөніндегі теореманы қолдансақ, электрондардың кинетикалық энергиясының максималь мәнін табуға болады:

Жарықтың интенсивтігі (сәуле шығару ағынының тығыздыңы) өзгерген кезде, тәжірибелер көрсеткендей, тежеуші кернеу өзгермейді. Бұл электрондардық кинетикалық энергиясы өзгермейді дегенді білдіреді. Жарықтың толқындық теориясы түрғысынан бұл факті түсініксіз. Жарық интенсивтігі неғұрлым көп болған сайын, жарық толқынының электромагниттік өрісі тарапынан электрондарға соғұрлым зор күштер әсер етеді жөне электроңдарға соғұрлым көп энергия берілуі тиіс қой.
Жарық ыршытып шығаратын электрондардың кинетикалық энергиясы жарық жиілігіне ғана тәуелді екені тәжірибелерден байқалады. Фотоэлектрондардың максималь кинетикалық энергиясы жарық жиілігіне қарай сызықты түрде артады да, жарықтың интенсивтігіне тәуелді болмайды. Егер жарық толқынының жиілігі берілген зат үшін анықталған қандай да бір минималь n_min жиілігінен кіші болса, онда фотоэффект болмайды.
Фотоэффект заңдары түрі жағынан алғанда қарапайым. Бірақ электрондардың кинетикалық энергиясының жиілікке тәуелділігі жұмбақ нәрсе болып көрінеді.
ФОТОЭФФЕКТ ТЕОРИЯСЫ. 
Фотоэффект құбылысын Максвеллдің электродинамика заңдары негізінде түсіндіруге ұмтылудың бәрі нәтижесіз болды. Ол заңдар бойынша жарық - кеңістікке үздіксіз таралған электромагниттік толқын. Фотоэлектрондар энергиясы неліктен жарықтың жиілігімен ғана анықталатыньш және толқын ұзындығы шағын болғанда ғана электрондарды ыршытып шығаратынын түсінуге болмайтын еді. 1905 жылы Эйнштейн Планктің жарықтың үздікті шығарылуы туралы идеясын әрі қарай дамыта отырып, фотоэффектіге түсінік берген еді. Фотоэффектің эксперименттік заңдарында Эйнштейн жарықтың узілісті екендігінің және жеке үлестермен жұтылатындығының сенімді түрдегі дәлелдемесін көрді. Жарық шығарудың әрбір үлесінің Е энергиясы Планк гипотезасымен толық сәйкес жиілікке пропорционал: E=hn, мұндағы һ - Планк тұрақтысы.
Планк көрсеткендей, жарық үлеспен шығарылады дегеннен жарықтың өзінің құрылымы үзілісті екен деуге болмайды. Алайда минерал су бөтелкеде сатылады ғой, ал бұдан судың құрылымы үзілісті және бөлінбейтін бөлшектерден түзіледі деген ұғым тумайды. Тек фотоэффект құбылысы ғана жарықтың құрылымы үзілісті екенін көрсетті: жарық энергиясыныц шығарылған Е = һn  үлесі өзінің даралығын жарықтың бұдан кейінгі таралу процесінде де сақтайды. Тек барлык үлесі ғана түгелдей жұтыла алады.
Фотоэлектронның кинетикалық энергиясын энергияның сақталу заңының жәрдемімен табуға болады. Жарық үлесінің энергиясы шығу жумысы А деп аталатын жүмысқа, яғни электронды металдан бөліп алып, электронға кинетикалық энергия беру үшін істелуге тиіс жұмысқа тең. Ендеше,

                           (2)

Бұл теңдеу фотоэффектіге қатысты негізгі фактілерді түсіндіреді. Эйнштейнше жарықтың интенсивтігі жарық шоғындағы энергия кванттарының (үлестер) санына пропорционал және сондықтан металдан ыршып шыққан электрондар санын анықтайды. Электрондардың жылдамдығы (2) теңдеу бойынша тек жарық жиілігіне және металдың тегі мен оның бетінің күйіне тәуелді шығу жұмысы арқылы анықталады. Ол жарықтың интенсивтігіне байланысты емес. Жарықтың n жиілігі белгілі бір минималь n_min мәнінен артық болса ғана, кез келген затгың фотоэффекті байқалды. Электронды металдан, оған кинетикалық энергия берместен, ыршытып шығару үшін, А шығу жұмысы істелуі тиіс. Ендеше, кванттың энергиясы бұл жүмыстан артық болуы керек: һn > А. Шектік n_min жиілікті фотоэффектінің қызыл шекарасы деп атайды. Ол былай өрнектеледі: 
Шығу жұмысы А заттың тегіне тәуелді. Сондықтан әр түрлі заттар үшін  фотоэффектінің  шектік n_min жиілігі де (қызыл шекара) түрліше болады. Мырыш үшін қызыл шекара l_max=3,7´10^{-7 м толқын ұзындығы (ультракүлгін сәуле) сәйкес келеді.} Ультракүлгін сәулелерді тежеп қалатын шыны пластинаның көмегімен фотоэффектіні тоқтату жөнінен істелетін тәжірибе соған сүйеніп түсіндіріледі.
Алюминийдің немесе темірдің шығу жұмысы, мырышқа қарағанда артық. Сондықтан сипатталған тәжірибеде  мырыш пластина пайдаланылады. Сілтілі металдардың шығу жұмысы, керісінше аз да, қызыл шекара сәйкес келетін толқын ұзындығы l_max үлкен. Мысалы, натрий үшін l_max=6,8 × 10^-7 м.
Эйнштейннің (2) теңдеуінен  һ Планк тұрақтысын анықтауға болады. Бұл үшін жарықтың жиілігі, А шығу жұмысын эксперимент жүзінде анықтау және фотоэлектрондық кинетикалық энергиясын өлшеу керек. Осы тектес өлшеулер мен есептеулерден былай болады: Һ=6,63 × 10^-34Дж × с.
Планк мүлдем басқа құбылысты – жылулық сәуле шығаруды зерттегенде де дәл осындай мән табылған.Планк тұрақтысының түрліше әдістермен алынған мәндерінің бір-бірімен шығаруы мен жұтуының үздікті сипаты жөніндегі болжамдардың дұрыстығының айғағы.
Эйнштейн теңдеуі (2) өзінің қарапайымдығына қарамастан, фотоэффектінің негізгі заңдылықтарын түсіндіріп береді. Эйнштейнге Нобель сыйлығы фотоэффекті теориясы жөніндегі еңбегі үшін берілген.
VІ. ДК. Оқытылып отырған  оқу материалын қабылдаудағы оқушы түсінігін тексеру.
§6.3, 6.4 дайындық сұрақтарын талдау.

1. Люминесценция деп нені айтамыз?
2. Люминесценцияның қандай түрлері бар?
3. Люминесценция құбылысы қайда қолданылады?
4. Фотоэффект деп қандай құбылысты айтамыз?
5. Тежеуші кернеу дегеніміз не?
6. Фотоэффектінің қызыл шекарасы деген не?

VІІ. ДК. Оқытылып отырған оқу материалын бекіту немесе дағдыландыру жұмыстарын жүргізу.
1.Есептер шығарту. 6.4.1-6.4.3. 
VIІI.ДК. Бағалау. Үй тапсырмасын беру: §6.3, 6.4 Есептер шығарту. 6.4.4-6.4.5.