Cíle Vzdělávání
- Popište fotoelektrický jev.
jste fanouškem sci-fi?
ve starých sci-fi příbězích (1950) bylo jedním z témat vesmírného cestování použití solárních plachet pro pohon. Myšlenka byla, že fotonový tlak ze slunce by tlačil plachtu (jako větrné plachty) a pohyboval vesmírným plavidlem. To, co kdysi bylo sci-fi, je nyní realitou, protože sluneční plachty se vyvíjejí a testují pro moderní vesmírné cestování.
Fotoelektrický jev a Částicové Povahy Světla
V roce 1905 Albert Einstein (1879-1955) navrhl, že světlo lze popsat jako kvanta energie, které se chovají jako částice. Foton je částice elektromagnetického záření, která má nulovou hmotnost a nese kvantum energie. Energie fotonů světla je kvantována podle rovnice E = hv. Po mnoho let světla byl popsán pouze pomocí vln pojmy, a vědci vyškoleni v klasické fyzice našel tato vlna-dualita částečky světla, aby bylo obtížné myšlenku přijmout. Klíčový experiment, který Einstein vysvětlil pomocí povahy částic světla, se nazýval fotoelektrický efekt.
fotoelektrický jev je jev, ke kterému dochází, když světlo svítící na kovový povrch způsobí vyhození elektronů z tohoto kovu. Bylo pozorováno, že pouze určité frekvence světla jsou schopny způsobit vyhození elektronů. Pokud je frekvence dopadajícího světla je příliš nízká (červené světlo, například), pak není elektrony katapultovalo i když intenzita světla byla velmi vysoká, nebo to bylo zářil na povrch po dlouhou dobu. Pokud byla frekvence světla vyšší (například zelené světlo), mohly být elektrony vysunuty z kovového povrchu, i když intenzita světla byla velmi nízká nebo svítila jen krátkou dobu. Tato minimální frekvence potřebná k vyvolání ejekce elektronů se označuje jako prahová frekvence.
klasická fyzika nebyla schopna vysvětlit fotoelektrický efekt. Pokud klasické fyziky aplikovat na tuto situaci, elektron v kovu by nakonec mohla shromáždit dostatek energie, aby být vyhozen z povrchu, i když příchozí světlo o nízké frekvenci. Einstein použil teorii částic světla k vysvětlení fotoelektrického efektu, jak je znázorněno na obrázku níže.
Obrázek 1. Nízkofrekvenční světlo (červené) není schopno způsobit vysunutí elektronů z povrchu kovu. Při nebo nad prahovou frekvencí (zelené) jsou elektrony vysunuty. Ještě vyšší frekvence příchozího světla (modrá) způsobuje vysunutí stejného počtu elektronů, ale s větší rychlostí.
Obrázek 2. Fotoelektrické články přeměňují světelnou energii na elektrickou energii, která pohání tuto kalkulačku.
zvažte rovnici E = hv. E je minimální energie, která je potřebná k vysunutí elektronu kovu. Pokud je frekvence přicházejícího světla, v, pod prahovou frekvencí, nikdy nebude dostatek energie, která by způsobila vysunutí elektronu. Pokud je frekvence stejná nebo vyšší než prahová frekvence, budou elektrony vysunuty.
jak se frekvence zvyšuje za prahovou hodnotu, vysunuté elektrony se jednoduše pohybují rychleji. Zvýšení intenzity přicházejícího světla, které je nad prahovou frekvencí, způsobuje zvýšení počtu elektronů, které jsou vysunuty, ale necestují rychleji. Fotoelektrický efekt se používá v zařízeních zvaných fotoelektrické články, které se běžně vyskytují v každodenních předmětech, jako je kalkulačka, která využívá energii světla k výrobě elektřiny.
shrnutí
- světlo má vlastnosti vlny i částice.
- fotoelektrický efekt vzniká světlem dopadajícím na kov a uvolňující elektrony tvoří povrch kovu.
praxe
použijte níže uvedený odkaz k zodpovězení následujících otázek:
http://www.citycollegiate.com/physicsXII_photocell.htm
- jaký je emitující materiál v této fotobuňce?
- co způsobuje vyzařování fotoelektronů?
- zvyšuje se nebo snižuje proud se zvýšením intenzity světla?
- co se stane, když světlo nezasáhne katodu?
recenze
- jaké jsou vlastnosti fotonu?
- co ukazuje fotoelektrický efekt o vlastnostech světla?
- jak frekvence světla ovlivňuje uvolňování fotonů?
Glosář
- fotoelektrický článek: použijte energii světla k výrobě elektřiny.
- fotoelektrický jev: jev, ke kterému dochází, když světlo svítí na kovový povrch, způsobuje vyhození elektronů z tohoto kovu.
- foton: částice elektromagnetického záření, která má nulovou hmotnost a nese kvantum energie.
- prahová frekvence: minimální frekvence potřebná k vyvolání ejekce elektronů.