cele nauki
- opis efektu fotoelektrycznego.
jesteś fanem science fiction?
w starych historiach science fiction (Lata 50.) jednym z tematów podróży kosmicznych było wykorzystanie żagli słonecznych do napędu. Pomysł polegał na tym, że ciśnienie fotonu od słońca popchnie żagiel (jak żagle wiatrowe) i poruszy statek kosmiczny. To, co kiedyś było science fiction, jest teraz rzeczywistością, ponieważ żagle słoneczne są opracowywane i testowane pod kątem nowoczesnych podróży kosmicznych.
efekt fotoelektryczny i cząsteczkowa natura światła
w 1905 roku Albert Einstein (1879-1955) zaproponował opisanie światła jako kwantów energii, które zachowują się jak cząstki. Foton jest cząstką promieniowania elektromagnetycznego, która ma zerową masę i przenosi kwant energii. Energia fotonów światła jest kwantyzowana zgodnie z równaniem E = hv. Przez wiele lat światło było opisywane wyłącznie za pomocą koncepcji falowych, a naukowcy przeszkoleni w fizyce klasycznej uznali tę falowo-cząstkową dwoistość światła za trudny do zaakceptowania. Kluczowy eksperyment, który został wyjaśniony przez Einsteina przy użyciu natury cząstek światła, nazwano efektem fotoelektrycznym.
efekt fotoelektryczny jest zjawiskiem, które występuje, gdy światło świeci na metalowej powierzchni powoduje wyrzucenie elektronów z tego metalu. Zaobserwowano, że tylko pewne częstotliwości światła są w stanie powodować wyrzucanie elektronów. Jeśli częstotliwość padającego światła jest zbyt niska (na przykład światło czerwone), to żadne elektrony nie zostały wyrzucone, nawet jeśli natężenie światła było bardzo wysokie lub świeciło na powierzchnię przez długi czas. Jeśli częstotliwość światła była wyższa (na przykład zielone światło), elektrony mogły zostać wyrzucone z powierzchni metalu, nawet jeśli natężenie światła było bardzo niskie lub świeciło tylko przez krótki czas. Ta minimalna częstotliwość potrzebna do wywołania wyrzucania elektronów jest określana jako częstotliwość progowa.
fizyka Klasyczna nie była w stanie wyjaśnić efektu fotoelektrycznego. Gdyby klasyczna fizyka zastosowała się do tej sytuacji, elektron w metalu mógłby ostatecznie zebrać wystarczającą ilość energii, aby zostać wyrzucony z powierzchni, nawet jeśli przychodzące światło było niskiej częstotliwości. Einstein użył teorii cząstek światła, aby wyjaśnić efekt fotoelektryczny, jak pokazano na rysunku poniżej.
Rysunek 1. Światło o niskiej częstotliwości (czerwone) nie jest w stanie spowodować wyrzutu elektronów z powierzchni metalu. Przy lub powyżej częstotliwości progowej (zielone) elektrony są wyrzucane. Jeszcze wyższa częstotliwość przychodzącego światła (niebieskiego) powoduje wyrzucanie tej samej liczby elektronów, ale z większą prędkością.
Rysunek 2. Ogniwa fotoelektryczne przekształcają energię światła w energię elektryczną, która zasila ten kalkulator.
rozważmy równanie E = hv. E jest minimalną energią wymaganą do wyrzucenia elektronu metalu. Jeśli częstotliwość przychodzącego Światła, v, jest poniżej częstotliwości progowej, nigdy nie będzie wystarczająco dużo energii, aby spowodować wyrzucenie elektronu. Jeśli częstotliwość jest równa lub wyższa od częstotliwości progowej, elektrony zostaną wyrzucone.
gdy częstotliwość wzrasta poza próg, wyrzucone elektrony po prostu poruszają się szybciej. Wzrost natężenia światła przychodzącego powyżej częstotliwości progowej powoduje wzrost liczby wyrzucanych elektronów, ale nie przemieszczają się one szybciej. Efekt fotoelektryczny jest stosowany w urządzeniach zwanych ogniwami fotoelektrycznymi, które są powszechnie spotykane w przedmiotach codziennego użytku, takich jak kalkulator, który wykorzystuje energię światła do generowania energii elektrycznej.
podsumowanie
- światło ma właściwości zarówno fali, jak i cząstki.
- efekt fotoelektryczny jest wytwarzany przez światło uderzające w metal i usuwające elektrony z powierzchni metalu.
praktyka
użyj poniższego linku, aby odpowiedzieć na następujące pytania:
http://www.citycollegiate.com/physicsXII_photocell.htm
- jaki jest materiał emitujący w tej fotokomórce?
- co powoduje emisję fotoelektronów?
- czy prąd rośnie czy maleje wraz ze wzrostem natężenia światła?
- co się stanie, jeśli światło nie uderzy w katodę?
Recenzja
- jakie są właściwości fotonu?
- co efekt fotoelektryczny pokazuje o właściwościach światła?
- jak częstotliwość światła wpływa na uwalnianie fotonów?
Słowniczek
- ogniwo fotoelektryczne: wykorzystuj energię światła do generowania energii elektrycznej.
- efekt fotoelektryczny: zjawisko, które występuje, gdy światło świeci na metalowej powierzchni powoduje wyrzucenie elektronów z tego metalu.
- Foton: cząstka promieniowania elektromagnetycznego, która ma zerową masę i przenosi kwant energii.
- częstotliwość progowa: minimalna częstotliwość potrzebna do wywołania wyrzucania elektronów.