Efekt fotoelektryczny

Badania: Efekt fotoelektryczny Philipp Lenard jest powszechnie uznawany za odkrywcę zjawiska fotoelektrycznego, nie dlatego, że był pierwszym, który je odkrył, ale dlatego, że jako pierwszy przeprowadził kilka szczegółowych eksperymentów i poczynił kilka ważnych uogólnień. Celem niniejszych badań jest przeanalizowanie tych uogólnień i przegląd niektórych, związanych z tym tematem zagadnień fizyki tak, żeby przygotować się do symulacji fotoelektrycznego eksperymentu Millikana. Jeśli potrzebujesz pomocy w zrozumieniu budowy urządzenia i sposobu regulacji zmiennych, przed rozpoczęciem poszukiwań zobacz opis i wyjaśnienia w menu Pomoc. Uwaga:​
​
Symulacja jest to model i jak wszystkie modele ma pewne ograniczenia. Przedstawiono tu koncepcję Einsteina, dotyczącą tego co zachodzi w efekcie fotoelektrycznym. Przy pomiarze napięcia hamowania, należy analizować wskazania amperomierza, a nie wizualizację ruchu elektronów, która jest reprezentacją mocno przybliżoną. Częstotliwość padającego światła 14​
Oświetlanie światłem o częstotliwości ​
f​
= 6.91 x 10​
Hz (lub λ = 434 nm) powierzchni metalicznego sodu, wytwarza strumień fotoelektronów, jak pokazano w symulacji, gdy po raz pierwszy ją otworzymy. Ćwiczenie Przy poniższych pytaniach, nie zmieniaj żadnych parametrów, z wyjątkiem rodzaju światła. 1. Przesuwaj suwak wzdłuż widma elektromagnetycznego do kilku wyższych częstotliwości, w kierunku obszaru ultrafioletu. Jakie zmiany, jeśli w ogóle, występują? 2. Przesuń suwak wzdłuż widma elektromagnetycznego w prawo, w kierunku obszaru podczerwieni. Jakie zmiany, jeśli w ogóle, występują? 3. Ustal najniższą częstotliwość światła, przy której wciąż jeszcze z powierzchni metalicznego sodu emitowane są fotoelektrony. Można użyć suwaka lub, dla zwiększenia precyzji, wpisać w pole tekstowe określoną długość fali. 4. W menu Opcje wybierz inny metal i powtórz #3. Następnie wybierz trzeci metal. Czy odpowiedzi są takie same? 1 To, co określono w # 3 i 4, to częstotliwość progowa, f​
, dla danego metalu. Jak o​
odkrył Lenard, efekt fotoelektryczny dla danej substancji zachodzi tylko, jeżeli częstotliwość światła padającego jest większa od pewnej wartości minimalnej, f​
. o​
Emisja fotoelektronów Skonfiguruj symulację dla dowolnego metalu, tak żeby wystarczająca częstotliwość i napięcie pozwalało fotoelektronom zamknąć obwód. Ćwiczenie 5. Po jakim czasie od pochłonięcia fotonu emitowany jest z katody fotoelektron? 6. Powtórz tę obserwację dla różnych metali, w tym metali chemicznie aktywnych, takich jak potas i metali biernych, takich jak srebro. Natychmiastowa emisja fotoelektronów, występująca w przypadku każdego metalu (przy założeniu, f > f​
) była poważnym problemem dla klasycznej falowej teorii o​
światła. Według istniejącej teorii, powinien upłynąć zauważalny czas, w trakcie którego elektron zgromadziłby wystarczająco dużą energię, aby móc opuścić metal. W doświadczeniach niczego takiego nie stwierdzono, nawet jeśli natężenie światła było bardzo małe. Natężenie światła padającego W każdym z powyższych działań, natężenie lub jasność światła pozostawała stała, nawet jeśli zmieniano rodzaj światła. Logicznym wydaje się domysł, że być może, jeśli częstotliwość jest poniżej wartości progowej, światło musi być bardziej intensywne. Ćwiczenie 7. Ustaw napięcie na zero i dla kolejnych metali, dobierz częstotliwość tak, żeby była tuż poniżej częstotliwości progowej dla tego metalu. Przesuń w kilku krokach suwak intensywności na dole ekranu, od jego punktu środkowego (0,5) do maksymalnej jasności (1). Powtórz to dla kilku różnych metali i spróbuj uogólnić uzyskane wyniki, formułując wnioski. 8. Zgodnie z oryginalną hipotezą Einsteina, światło składa się z kwantów energii nazywanych fotonami. Wykorzystując symulację spróbuj opisać natężenie światła posługując się pojęciem fotonów. 9. Jeśli częstotliwość jest wyższa od wartości progowej, jaka jest relacja między liczbą fotonów i liczbą fotoelektronów? Sprawdź swoją odpowiedź obserwując 2 symulację, zmieniając natężenie światła i zwracając uwagę na natężenie prądu (​
V​
= 0; f > f​
). o​
Wybierz materiał katody, ustaw częstotliwość powyżej wartości progowej dla tego metalu, ustaw napięcie na zero i natężenie na 0.1. 10. Powoli zwiększaj napięcie, aby określić napięcie hamowania; czyli najmniejsze napięcie, przy którym prąd spada do zera, co wskaże amperomierz. Zanotuj to napięcie hamowania. 11. Sukcesywnie, w kilku krokach zwiększaj natężenie, aż do maksimum. Dla każdej wartości natężenia, określ napięcie hamowania. Czy natężenie światła wpływa na to napięcie? Maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów Ćwiczenie Wybierz materiał katody, ustaw częstotliwość nieco powyżej wartości progowej dla tego metalu, ustaw napięcie na zero i natężenie na poziomie 0,5. 12. Powoli zwiększaj napięcie, aby określić napięcie hamowania. Możesz wpisać konkretne napięcia, kiedy zbliżysz się do prądu zerowego. Kliknij "Zapisz pomiar". 13. Powtórz kilka razy #12, za każdym razem zwiększając częstotliwość. 14. Kliknij "Pokaż dane" na dole lub w menu Opcje i przejrzyj wyniki obserwacji. Czy napięcie hamowania zależy od natężenia padającego światła? (Opcjonalnie: Pobierz i wklej tabelę danych do arkusza kalkulacyjnego oraz sporządź wykres wyników.) 15. Jaki jest związek między napięciem i maksymalną energią kinetyczną? 16. Co to oznacza dla związku między maksymalną energią kinetyczną fotoelektronów i częstotliwością padającego światła? Znaczenie efektu fotoelektrycznego Odkrycie efektu fotoelektrycznego odegrało znaczącą rolę w rozwoju współczesnej fizyki. Wyjaśnienie tego zjawiska wprowadziło rewolucyjną koncepcję ­kwant energii ­ co doprowadziło do zupełnie nowej gałęzi fizyki o nazwie teoria kwantów. Tak jak wszystkie rewolucje w nauce i ten nowatorski pomysł przez wiele lat był przedmiotem kontrowersji w środowisku naukowym. Nawet Millikan był przekonany, że Einstein się myli i starał się obalić jego przewidywania, ale skończyło się na dostarczeniu wyraźnych dowodów potwierdzających. W nauce, najważniejszą rzeczą jest potwierdzenie doświadczalne. W obliczu wyników swojego eksperymentu, Millikan musiał zgodzić się z wyjaśnieniem Einsteina. 3