leerdoelstellingen
- beschrijf het foto-elektrisch effect.
bent u een fan van science fiction?
In old science fiction stories (1950) was een van de thema ‘ s van de ruimtevaart het gebruik van zonnezeilen voor de voortstuwing. Het idee was dat de fotondruk van de zon het zeil zou duwen (zoals de windzeilen) en het ruimtevaartuig zou bewegen. Wat ooit sciencefiction was, is nu realiteit. zonnezeilen worden ontwikkeld en getest voor moderne ruimtevaart.
foto-elektrisch Effect en de Deeltjesnatuur van licht
in 1905 stelde Albert Einstein (1879-1955) voor om licht te beschrijven als kwanta van energie die zich gedragen als deeltjes. Een foton is een deeltje van elektromagnetische straling dat nul massa heeft en draagt een kwantum van energie. De energie van fotonen van licht wordt gekwantiseerd volgens de vergelijking e = hv. Gedurende vele jaren werd licht beschreven met alleen golfconcepten, en wetenschappers die in de klassieke fysica waren opgeleid, vonden deze golf-deeltjes dualiteit van licht een moeilijk idee om te accepteren. Een belangrijk experiment dat werd verklaard door Einstein met behulp van de deeltjesnatuur van licht werd het foto-elektrisch effect genoemd.
Het foto-elektrisch effect is een fenomeen dat optreedt wanneer licht schijnt op een metalen oppervlak waardoor elektronen uit dat metaal worden uitgestoten. Er werd opgemerkt dat alleen bepaalde frequenties van licht in staat zijn om de ejectie van elektronen veroorzaken. Als de frequentie van het invallende licht te laag is (rood licht, bijvoorbeeld), dan werden er geen elektronen uitgestoten, zelfs als de intensiteit van het licht erg hoog was of het lange tijd op het oppervlak werd geschenen. Als de frequentie van het licht hoger was (bijvoorbeeld groen licht), dan konden elektronen van het metalen oppervlak worden uitgestoten, zelfs als de intensiteit van het licht erg laag was of het slechts korte tijd scheen. Deze minimumfrequentie die nodig is om elektronenuitwerping te veroorzaken, wordt de drempelfrequentie genoemd.
De klassieke fysica kon het foto-elektrisch effect niet verklaren. Als de klassieke fysica op deze situatie werd toegepast, kon het elektron in het metaal uiteindelijk genoeg energie verzamelen om van het oppervlak te worden uitgeworpen, zelfs als het binnenkomende licht van lage frequentie was. Einstein gebruikte de deeltjestheorie van licht om het foto-elektrische effect te verklaren, zoals weergegeven in onderstaande figuur.
figuur 1. Laagfrequent licht (rood) is niet in staat om ejectie van elektronen van het metaaloppervlak veroorzaken. Bij of boven de drempelfrequentie worden (groene) elektronen uitgeworpen. Nog hogere frequentie inkomend licht (blauw) veroorzaakt uitwerpen van hetzelfde aantal elektronen maar met grotere snelheid.
Figuur 2. Foto-elektrische cellen zetten lichtenergie om in elektrische energie die deze rekenmachine aandrijft.
beschouw de vergelijking E = hv. De E is de minimale energie die nodig is om het elektron van het metaal uit te werpen. Als de frequentie van het binnenkomende licht, v, onder de drempelfrequentie ligt, zal er nooit genoeg energie zijn om elektron uit te werpen. Als de frequentie gelijk is aan of hoger is dan de drempelfrequentie, zullen elektronen worden uitgeworpen.
naarmate de frequentie groter wordt dan de drempelwaarde, bewegen de uitgeworpen elektronen gewoon sneller. Een toename van de intensiteit van binnenkomend licht dat boven de drempelfrequentie ligt, zorgt ervoor dat het aantal uitgeworpen elektronen toeneemt, maar ze reizen niet sneller. Het foto-elektrisch effect wordt toegepast in apparaten genoemd foto-elektrische cellen, die algemeen in dagelijkse punten zoals een calculator worden gevonden die de energie van licht gebruikt om elektriciteit te produceren.
samenvatting
- licht heeft eigenschappen van zowel een golf als een deeltje.
- het foto-elektrisch effect wordt veroorzaakt door licht dat een metaal raakt en elektronen van het oppervlak van het metaal afscheidt.
praktijk
Gebruik onderstaande link om de volgende vragen te beantwoorden:
http://www.citycollegiate.com/physicsXII_photocell.htm
- Wat is het emitterende materiaal in deze fotocel?
- Wat veroorzaakt de emissie van foto-elektronen?
- neemt de huidige lichtintensiteit toe of af?
- Wat gebeurt er als het licht de kathode niet raakt?
Review
- Wat zijn de eigenschappen van een foton?
- wat laat het foto-elektrisch effect zien over de eigenschappen van licht?
- Hoe beïnvloedt de frequentie van het licht de afgifte van fotonen?
verklarende woordenlijst
- Foto-elektrische cel: gebruik lichtenergie om elektriciteit op te wekken.
- Foto-elektrisch effect: een fenomeen dat optreedt wanneer licht op een metalen oppervlak schijnt, waardoor elektronen uit dat metaal worden uitgestoten.
- foton: een deeltje van elektromagnetische straling dat een massa van nul heeft en een kwantum van energie draagt.
- drempelfrequentie: minimale frequentie die nodig is om elektronenuitwerping te veroorzaken.