inlärningsmål
- beskriv den fotoelektriska effekten.
är du ett fan av science fiction?
i gamla science fiction-berättelser (1950-talet) var ett av rymdresande teman användningen av solseglar för framdrivning. Tanken var att fotontrycket från solen skulle driva seglet (som vindseglen) och flytta rymdskeppet. Det som en gång var science fiction är nu verkligheten när solseglar utvecklas och testas för modern RymdResa.
fotoelektrisk effekt och ljusets partikel Natur
1905 föreslog Albert Einstein (1879-1955) att ljus skulle beskrivas som kvanta energi som beter sig som partiklar. En foton är en partikel av elektromagnetisk strålning som har nollmassa och bär en kvantitet energi. Energin hos ljusfotoner kvantiseras enligt e = hv-ekvationen. Under många år hade ljus beskrivits med endast vågkoncept, och forskare utbildade i klassisk fysik fann att denna vågpartikeldualitet av ljus var en svår tanke att acceptera. Ett nyckelexperiment som förklarades av Einstein med ljusets partikel natur kallades den fotoelektriska effekten.
den fotoelektriska effekten är ett fenomen som uppstår när ljus sken på en metallyta orsakar utstötning av elektroner från den metallen. Det observerades att endast vissa ljusfrekvenser kan orsaka utstötning av elektroner. Om frekvensen för det infallande ljuset är för lågt (till exempel rött ljus), kastades inga elektroner ut även om ljusets intensitet var mycket hög eller det skenades på ytan under lång tid. Om ljusets frekvens var högre (till exempel grönt ljus) kunde elektroner matas ut från metallytan även om ljusets intensitet var mycket låg eller det skenades bara en kort tid. Denna minsta frekvens som behövs för att orsaka elektronutstötning kallas tröskelfrekvensen.
klassisk fysik kunde inte förklara den fotoelektriska effekten. Om klassisk fysik tillämpades på denna situation kunde elektronen i metallen så småningom samla tillräckligt med energi för att matas ut från ytan även om det inkommande ljuset var av låg frekvens. Einstein använde partikelteorin om ljus för att förklara den fotoelektriska effekten som visas i figuren nedan.
Figur 1. Lågfrekvent ljus (rött) kan inte orsaka utstötning av elektroner från metallytan. Vid eller över tröskelfrekvensen (gröna) elektroner matas ut. Ännu högre frekvens inkommande ljus (blått) orsakar utstötning av samma antal elektroner men med högre hastighet.
Figur 2. Fotoelektriska celler omvandlar ljusenergi till elektrisk energi som driver denna räknare.
Tänk på e = hv-ekvationen. E är den minsta energi som krävs för att metallens elektron ska matas ut. Om det inkommande ljusets frekvens, v, ligger under tröskelfrekvensen, kommer det aldrig att finnas tillräckligt med energi för att få elektronen att matas ut. Om frekvensen är lika med eller högre än tröskelfrekvensen kommer elektroner att matas ut.
när frekvensen ökar bortom tröskeln rör sig de utstötta elektronerna helt enkelt snabbare. En ökning av intensiteten hos inkommande ljus som ligger över tröskelfrekvensen gör att antalet elektroner som matas ut ökar, men de reser inte snabbare. Den fotoelektriska effekten appliceras i enheter som kallas fotoelektriska celler, som vanligtvis finns i vardagliga föremål som en kalkylator som använder ljusets energi för att generera el.
sammanfattning
- ljus har egenskaper hos både en våg och en partikel.
- den fotoelektriska effekten produceras av ljus som slår en metall och lossnar elektroner bildar metallens yta.
Practice
använd länken nedan för att svara på följande frågor:
http://www.citycollegiate.com/physicsXII_photocell.htm
- Vad är det emitterande materialet i denna fotocell?
- vad får fotoelektroner att släppas ut?
- ökar eller minskar strömmen med en ökning av ljusintensiteten?
- vad händer om ljuset inte träffar katoden?
Review
- vilka egenskaper har en foton?
- vad visar den fotoelektriska effekten om ljusets egenskaper?
- hur påverkar ljusfrekvensen frisättningen av fotoner?
ordlista
- fotoelektrisk cell: använd energi av ljus för att generera el.
- fotoelektrisk effekt: ett fenomen som uppstår när ljus sken på en metallyta orsakar utstötning av elektroner från den metallen.
- foton: en partikel av elektromagnetisk strålning som har nollmassa och bär en kvantitet energi.
- tröskelfrekvens: minsta frekvens som behövs för att orsaka elektronutstötning.