tanulási célok
- írja le a fotoelektromos hatást.
Ön a sci-fi rajongója?
a régi tudományos fantasztikus történetekben (1950-es évek) az egyik űrutazás témája a napvitorlák meghajtására való felhasználása volt. Az ötlet az volt, hogy a nap fotonnyomása tolja a vitorlát (mint a szélvitorlák), és mozgatja az űrhajót. Ami egykor a sci-fi volt, az ma már valóság, hiszen a napelemes vitorlákat fejlesztik és tesztelik a modern űrutazásra.
fotoelektromos hatás és a fény részecske jellege
1905-ben Albert Einstein (1879-1955) azt javasolta, hogy a fényt a részecskékként viselkedő energia kvantumaként írják le. A foton az elektromágneses sugárzás olyan részecskéje, amelynek nulla tömege van, és kvantumenergiát hordoz. A fény fotonjainak energiáját az E = hv egyenlet szerint kvantáljuk. A fényt sok éven át csak hullámkoncepciókkal írták le, és a klasszikus fizikában képzett tudósok ezt a hullám-részecske kettősséget nehéz elképzelésnek találták. Egy kulcsfontosságú kísérletet, amelyet Einstein magyarázott a fény részecske természetével, fotoelektromos hatásnak nevezték.
a fotoelektromos hatás olyan jelenség, amely akkor fordul elő, amikor a fémfelületre fénycsiszolt fény okozza az elektronok kilökődését a fémből. Megfigyelték, hogy csak bizonyos fényfrekvenciák képesek az elektronok kilökődését okozni. Ha a beeső fény frekvenciája túl alacsony (például vörös fény), akkor nem bocsátottak ki elektronokat, még akkor sem, ha a fény intenzitása nagyon magas volt, vagy hosszú ideig ragyogott a felületre. Ha a fény frekvenciája magasabb volt (például zöld fény), akkor az elektronokat akkor is ki lehetett engedni a fémfelületről, ha a fény intenzitása nagyon alacsony volt, vagy csak rövid ideig ragyogott. Ezt a minimális frekvenciát, amely az elektron kilökődéséhez szükséges, küszöbfrekvenciának nevezik.
A klasszikus fizika nem tudta megmagyarázni a fotoelektromos hatást. Ha a klasszikus fizika alkalmazta ezt a helyzetet, a fémben lévő elektron végül elegendő energiát gyűjthet a felületről, még akkor is, ha a bejövő fény alacsony frekvenciájú volt. Einstein a fény részecskeelméletét használta a fotoelektromos hatás magyarázatára az alábbi ábrán látható módon.
1.ábra. Az alacsony frekvenciájú fény (piros) nem képes elektronok kilökődését okozni a fém felületéről. A küszöb frekvenciáján vagy felett (zöld) elektronok kerülnek ki. Még nagyobb frekvenciájú bejövő fény (kék) ugyanannyi elektron kilökődését okozza, de nagyobb sebességgel.
2.ábra. A fotoelektromos sejtek a fényenergiát elektromos energiává alakítják, amely táplálja ezt a számológépet.
vegye figyelembe az E = hv egyenletet. Az E az a minimális energia, amely szükséges ahhoz, hogy a fém elektronja kilökődjön. Ha a bejövő fény v frekvenciája a küszöbfrekvencia alatt van, soha nem lesz elég energia ahhoz, hogy az elektron kilökődjön. Ha a frekvencia egyenlő vagy magasabb, mint a küszöbfrekvencia, az elektronok kilökődnek.
mivel a frekvencia a küszöbön túl növekszik, a kilökődő elektronok egyszerűen gyorsabban mozognak. A bejövő fény intenzitásának növekedése, amely meghaladja a küszöbfrekvenciát, növeli az elektronok számát, amelyek kilökődnek, de nem haladnak gyorsabban. A fotoelektromos hatást fotoelektromos celláknak nevezett eszközökben alkalmazzák, amelyek gyakran megtalálhatók a mindennapi tárgyakban, például egy számológépben, amely a fény energiáját használja a villamos energia előállításához.
összefoglaló
- a fénynek mind a hullám, mind a részecske tulajdonságai vannak.
- a fotoelektromos hatást egy fémet eltaláló fény hozza létre, és a fém felületét diszlokáló elektronok alkotják.
gyakorlat
használja az alábbi linket a következő kérdések megválaszolásához:
http://www.citycollegiate.com/physicsXII_photocell.htm
- mi a kibocsátó anyag ebben a fotocellában?
- mi okozza a fotoelektronok kibocsátását?
- az áram növekszik vagy csökken a fényintenzitás növekedésével?
- mi történik, ha a fény nem ütközik a katódba?
áttekintés
- mik a foton tulajdonságai?
- mit mutat a fotoelektromos hatás a fény tulajdonságairól?
- hogyan befolyásolja a fény frekvenciája a fotonok felszabadulását?
Szójegyzék
- fotoelektromos cella: a fény energiáját használja villamos energia előállításához.
- fotoelektromos hatás: egy olyan jelenség, amely akkor fordul elő, amikor a fény fémfelületre csillog, elektronok kilökődését okozza a fémből.
- foton: az elektromágneses sugárzás olyan részecskéje, amelynek tömege nulla, és energia kvantumát hordozza.
- küszöbfrekvencia: az elektron kilökődéséhez szükséges minimális frekvencia.