oppimistavoitteet
- kuvaavat valosähköistä efektiä.
oletko tieteiskirjallisuuden fani?
vanhoissa tieteiskertomuksissa (1950-luku) yksi avaruusmatkailun teemoista oli aurinkopurjeiden käyttö käyttövoimana. Ajatuksena oli, että Auringosta tuleva fotonipaine työntäisi purjetta (kuten tuulipurjeet) ja liikuttaisi avaruusalusta. Se, mikä ennen oli tieteiskirjallisuutta, on nyt todellisuutta, kun aurinkopurjeita kehitetään ja testataan nykyaikaista avaruusmatkailua varten.
Valosähköinen ilmiö ja valon Hiukkasluonne
vuonna 1905 Albert Einstein (1879-1955) ehdotti, että valo kuvattaisiin hiukkasina käyttäytyvänä energian kvanttina. Fotoni on sähkömagneettisen säteilyn hiukkanen, jonka massa on nolla ja jolla on kvantti energiaa. Valon fotonien energia kvantisoituu e = hv-yhtälön mukaan. Useiden vuosien ajan valoa oli kuvattu käyttäen vain aaltokäsitteitä, ja klassisen fysiikan koulutetut tutkijat havaitsivat tämän valon aalto-hiukkasduaalisuuden olevan vaikea ajatus hyväksyä. Keskeistä koetta, jonka Einstein selitti valon hiukkasluonteella, kutsuttiin valosähköiseksi ilmiöksi.
valosähköinen ilmiö on ilmiö, joka syntyy, kun metallipinnalle heijastunut valo aiheuttaa elektronien irtoamisen kyseisestä metallista. Havaittiin, että vain tietyt valon taajuudet pystyvät aiheuttamaan elektronien ejektioita. Jos törmäysvalon taajuus on liian alhainen (esimerkiksi punainen valo), ei elektroneja sinkoutunut ulos, vaikka valon voimakkuus olisi ollut hyvin korkea tai se olisi loistunut pinnalle pitkään. Jos valon taajuus oli korkeampi (esimerkiksi vihreä valo), elektroneja pystyi sinkoamaan metallipinnalta, vaikka valon voimakkuus olisi ollut hyvin alhainen tai se olisi loistanut vain lyhyen aikaa. Tätä elektronien ejektiota aiheuttavaa vähimmäistaajuutta kutsutaan kynnystaajuudeksi.
klassinen fysiikka ei kyennyt selittämään valosähköistä ilmiötä. Jos klassinen fysiikka soveltuisi tähän tilanteeseen, metallissa oleva elektroni voisi lopulta kerätä tarpeeksi energiaa poistuakseen pinnalta, vaikka saapuva valo olisi matalataajuista. Einstein käytti valon hiukkasteoriaa valosähköisen ilmiön selittämiseen, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.
kuva 1. Matalataajuinen valo (punainen) ei pysty aiheuttamaan elektronien poistumista metallipinnalta. Kynnystaajuudella (vihreillä) tai sen yläpuolella elektronit sinkoutuvat ulos. Vielä suurempi taajuus saapuva valo (sininen) aiheuttaa saman määrän elektroneja, mutta suuremmalla nopeudella.
kuva 2. Valosähköiset kennot muuttavat valoenergian sähköenergiaksi, joka antaa virtaa tälle laskimelle.
tarkastellaan e = hv-yhtälöä. E on pienin energia, joka tarvitaan, jotta metallin elektronin ulos. Jos saapuvan valon taajuus, v, on kynnystaajuuden alapuolella, energiaa ei koskaan ole tarpeeksi elektronien sinkoamiseen. Jos taajuus on yhtä suuri tai korkeampi kuin kynnystaajuus, elektronit sinkoutuvat ulos.
kun taajuus kasvaa kynnyksen yli, sinkoutuvat elektronit yksinkertaisesti liikkuvat nopeammin. Kynnystaajuuden ylittävä saapuvan valon voimakkuuden kasvu saa sinkoutuvien elektronien määrän kasvamaan, mutta ne eivät kulje nopeammin. Valosähköistä ilmiötä käytetään valosähköisiksi soluiksi kutsutuissa laitteissa, joita esiintyy yleisesti arkisissa esineissä, kuten laskimessa, joka käyttää valon energiaa sähkön tuottamiseen.
Yhteenveto
- valolla on sekä Aallon että hiukkasen ominaisuuksia.
- valosähköinen ilmiö syntyy, kun valo osuu metalliin ja irrottavat elektronit muodostavat metallin pinnan.
Practice
käytä alla olevaa linkkiä vastataksesi seuraaviin kysymyksiin:
http://www.citycollegiate.com/physicsXII_photocell.htm
- mitä säteilevää materiaalia tässä valokennossa on?
- mikä aiheuttaa fotoelektronien säteilyä?
- lisääntyykö vai väheneekö virta valon voimakkuuden kasvaessa?
- mitä tapahtuu, jos valo ei osu katodiin?
Review
- mitkä ovat fotonin ominaisuudet?
- mitä Valosähköinen efekti kertoo valon ominaisuuksista?
- miten valon taajuus vaikuttaa fotonien vapautumiseen?
Sanasto
- Valosähköinen kenno: käytä valon energiaa sähkön tuottamiseen.
- Valosähköinen efekti: ilmiö, joka syntyy, kun valo loistaa metallipinnalle, aiheuttaa elektronien irtoamisen kyseisestä metallista.
- fotoni: sähkömagneettisen säteilyn hiukkanen, jolla on nolla massaa ja joka kuljettaa kvanttienergiaa.
- kynnystaajuus: Minimitaajuus, joka tarvitaan elektronien ejektioiden aiheuttamiseen.