אפקט פוטואלקטרי: היסטוריה, נוסחאות ותרגילים

או זה נעשהפוטואלקטרית היא תופעה פיזיקלית המורכבת מפליטת אלקטרונים על ידי חומרים מסוימים, בדרך כלל מתכתיים, כאשר הם מוארים על ידי גלים אלקטרומגנטיים של תדרים ספציפיים. בתופעה זו, ה אוֹר מתנהג כמו a חֶלְקִיק, העברת אנרגיה לאלקטרונים, שהם נפלט מתוך החומר.

סיכום על האפקט הפוטואלקטרי

• תופעה פיזית שהתגלה על ידי היינריך הרץ בשנת 1886;

• הסביר אלברט איינשטיין, בשנת 1905, באמצעות כימות האור שהציע פלאנק בשנת 1900;

• אלקטרונים נפלטים רק אם האנרגיה של הפוטונים האירועים גדולה או שווה לתפקוד העבודה של החומר;

• האנרגיה הקינטית של האלקטרונים שנפלטו תלויה רק ​​בתדירות האור הנפל;

• עוצמת האור משפיעה רק על מספר האלקטרונים שנפלטים בשנייה.

היסטוריה של האפקט הפוטואלקטרי

בסביבות 1886, הפיזיקאי הגרמני היינריךהרץ (1857-1894) ביצע מספר ניסויים במטרה להוכיח את קיומו של גלים אלקטרומגנטיים. לשם כך, הרץ ייצר פריקות בין שתי אלקטרודות, ולעיתים הוא הבין שכאשר הוא מואר, הקתודה מסוגלת לייצר פריקות חשמל חזקות יותר. מבלי לדעת זאת, הרץ גילה את האפקט הפוטואלקטרי באמצעות פליטת קרנייםקָטוֹדָה.

שנתיים לאחר תצפיותיו של הרץ, ג'יי ג'יי תומסון הוכיח כי החלקיקים הנפלטים מהלוחות המוארים הם אלקטרונים. לָכֵן,

תומסון הוכיח שיחס המטען למסה (e / m) של חלקיקי הקתודה היה שווה לזה של אלקטרונים- חלקיקים שהתגלו על ידי עצמו כמה שנים קודם לכן.

תראהגַם: גילוי האלקטרון

בשנת 1903, עוזרו של הרץ, פיליפלנארד, פיתחה סדרת ניסויים במטרה להקים א מערכת יחסים בין ה עוצמת האור וה אנרגיית אלקטרונים שהונפק, למסקנה לנארד כי אין תלות בין שני הדברים, אשר ניתן היה לצפות, על פי ידיעת הפיזיקה באותה תקופה. שנה מאוחר יותר, שויילדר הוא הצליח להוכיח שהאנרגיה הקינטית של האלקטרונים שעוזבים את הלוחות המתכתיים הייתה פרופורציונלית ישירות לתדירות האור שהאירה אותם.

התוצאות שהתקבלו סותרו בניסוי את התיאוריה הקלאסית של אלקטרומגנטיות והפך לאתגר מרכזי עבור הפיזיקאים באותה תקופה במשך כ -18 שנה. בשנה של 1905, איינשטיין עשה שימוש בהצעה שהוצגה על ידי פלאנק, המסביר בצורה מספקת את מבצע שֶׁל אפקט פוטואלקטרי. ההצעה בה השתמש איינשטיין נקראת כימות השדה האלקטרומגנטי. בשנת 1900 ניסה פלאנק, בכל דרך, להסביר את נושא גוף שחורוהצליח לעשות זאת רק על ידי הצעתו כי האור היה מכמת, כלומר שיש לו ערכי אנרגיה מכפלים של כמות קטנה יותר. פלנק אמנם הבין שההישג שלו הוא רק מכשיר מתמטי המסוגל להסביר תופעה פיזיקאי, איינשטיין האמין שאור באמת נוצר על ידי מספר גדול של חלקיקים שניחנו אֵנֶרְגִיָה. בעתיד, חלקיקים כאלה ייקראו פוטונים.

לאחר פרסום מאמרו על האפקט הפוטואלקטרי הוענק לאינשטיין פרס נובל לפיזיקה בשנת 1921.

דע עוד על:מהם פוטונים?

נוסחאות

על פי תורת האור הזרימית, שהוצעה על ידי פלאנק ומשמשת את איינשטיין כדי להסביר את ההשפעה אור פוטואלקטרי מורכב ממספר רב של פוטונים - חלקיקים חסרי מסה הנושאים כמות קטנה. כּוֹחַ. אנרגיה זו פרופורציונאלית לתדר האור וגם לקבוע של פלאנק (h = 6.662.10^-34 J.s), כפי שמוצג במשוואה הבאה:

AND - אנרגיית פוטון

ה - פלאנק קבוע

f - תדר אור

אם האנרגיה של פוטון גדולה מספיק, היא יכולה לקרוע אלקטרונים מהחומר. ניתן לחשב את האנרגיה הקינטית של אלקטרון שנפלט באמצעות המשוואה הבאה:

ק - אנרגיה קינטית של אלקטרונים

AND - אנרגיית פוטון

Φ - פונקציית עבודה

על פי הביטוי שלעיל, האנרגיה הקינטית שנרכשת על ידי האלקטרונים (K) תלויה באנרגיה של הפוטונים הנפל (E) וגם ב- Φ (כיבושעֲבוֹדָה). כמות זו מודדת את כמות האנרגיה הפוטנציאלית באמצעותה קשורים האלקטרונים לחומר, זו האנרגיה המינימלית הדרושה כדי לשלוף אותם. לכן, כל האנרגיה העודפת מועברת לאלקטרונים בצורה של אֵנֶרְגִיָהקינטיקה. כאן חשוב להבין שהאנרגיה הקינטית שנרכשת על ידי אלקטרונים תלויה באופן בלעדי נותן תדר אור תקרית ולא עוצמת האור שנפלט.

תדירות האור, ולא עוצמתה, קובעת אם אלקטרונים ייפלטו.

טבלת פונקציות עבודה

בדוק את מידה של פונקציית עבודה של כמה חומרים ידועים. פונקציה זו מתייחסת ל כמות מינימלית האנרגיה הדרושה לקריעת אלקטרונים מעל פני החומר:

חוֹמֶר	פונקציית עבודה (eV)
אֲלוּמִינְיוּם	4,08
נְחוֹשֶׁת	4,7
בַּרזֶל	4,5
פְּלָטִינָה	6,35
כסף	4,73
אָבָץ	4,3

ניסוי אפקט פוטואלקטרי

שים לב לדמות שלהלן, הוא מציג תוכנית פשוטה של ​​הסדר הניסוי, המשמש את פיליפ לנארד, לחקר האפקט הפוטואלקטרי:

תוכנית ניסוי המשמשת לחקר האפקט הפוטואלקטרי.

הניסוי כלל שני לוחות מתכת מקבילים המחוברים לסוללה. במעגל היו אמטרים, משמש למדידת הזרם החשמלי בין שתי הלוחות, ו מד מתח, משמש למדידת המתח החשמלי שקבעה הסוללה.

כאשר סוללה זו הוארה בתדרים מסוימים של אור, נפלטו כמה אלקטרונים על ידי אחת הלוחות, שרכשה מטענים חיוביים (קתודה). כשהוא מואץ על ידי הפרש פוטנציאל המסופק על ידי הסוללה, האלקטרונים הגיעו ללוח השני. זרם חשמלי זה נמדד על ידי המד זרם.

לנארד הבחין שבעוצמת האור ההולכת וגוברת נפלטים יותר אלקטרונים בכל שנייה. עם זאת, שמירת תדר האור הנפלט ממקור האור קבוע, האנרגיה בה נפלטו האלקטרונים לא השתנתה. עיין בתרשים למטה:

זרם הרוויה מתאים למספר האלקטרונים שנפלטים על ידי הלוח המואר בכל שנייה.

האיור לעיל מתייחס ל זרם חשמלי מיוצר על ידי אלקטרונים, נפלט על ידי לוח אחד ונלכד על ידי הלוח השני, עם פוטנציאל חשמלי הוקמה ביניהם. על ידי יישום פוטנציאל זה, האלקטרונים שעזבו את הלוח, אפילו עם אנרגיה קינטית אפסית, הגיעו ללוח השני. כאשר כל האלקטרונים שנפלטו מגיעים לפלטה השנייה, הזרם החשמלי רווי, כלומר זה מתחיל להישאר קָבוּעַ. מה שניתן לראות הוא שזרם הרוויה תלוי ב עוצמת האור: ככל שעוצמת האור גדולה יותר, כך הזרם החשמלי שנוצר בין הלוחות גדול יותר.

עם זאת, כאשר מפעילים פוטנציאל חשמלי מנוגד, על מנת לעכב את תנועת האלקטרונים העוברים מפלטה אחת לאחרת, נצפה כי קיים פוטנציאל חשמלי מינימלי (V.₀), שקוראים לו פוטנציאל חיתוך, לפיה שום אלקטרון לא יכול להגיע ללוח השני. זה מצביע על כך שהאנרגיה הקינטית בה האלקטרונים עוזבים את הלוחות אינה תלויה בעוצמת האור. ניתן לחשב את האנרגיה הקינטית המרבית של האלקטרונים באמצעות המשוואה הבאה:

ק - אנרגיה קינטית מרבית של אלקטרונים

ו - עומס יסודי (1.6.10^-19 Ç)

ו₀ - פוטנציאל חיתוך

אלקטרונים וולט

מכיוון שבמודולי האנרגיה הקינטית של האלקטרונים יש מודולים נמוכים מכדי למדידה בג'ול, מדידות האנרגיה הללו נעשות באופן שגרתי ביחידה קטנה בהרבה, וולט אלקטרונים (eV). האלקטרון וולט הוא כמות האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית שחווה חלקיק טעון בעל ערך המטען הקיים הנמוך ביותר, א מטען יסודיכאשר הם ממוקמים באזור של פוטנציאל חשמלי השווה ל -1 V. לכן, eV אחד שווה ערך ל- 1.6.10^-19 י.

בנוסף לאלקטרון וולט, מקובל להשתמש בקידומות כמו: keV (קילואלקטרונים-וולט, 10³ eV), Me v (מגלטר-וולטס, 10⁶ eV), TeV (טרה-אלקטרונים-וולט, 10⁹ eV) וכו '.

יישומים טכנולוגיים של האפקט הפוטואלקטרי

כמה יישומים טכנולוגיים הופיעו על בסיס ההסבר על האפקט הפוטואלקטרי. המפורסם שבהם הוא אולי התאים הפוטו-וולטאיים. תאים אלה הם היחידות הבסיסיות של ה- פנלים סולאריים, דרכם זה אפשרי להמיר ה אנרגיית אור ב זרם חשמלי. בדוק את רשימת ההמצאות העיקריות על סמך האפקט הפוטואלקטרי:

• תאים פוטו-וולטאיים;

• ממסרים;

• חיישני תנועה;

• פוטוריסטים.

תרגילים נפתרו

1) חומר, כאשר הוא מואר בפוטונים של 4 eV, מסוגל להוציא אלקטרונים באנרגיה של 6 eV. קבעו את המודול של תפקוד העבודה של חומר כזה.

פתרון הבעיה:

נשתמש במשוואת פונקציית העבודה כדי לחשב את הכמות הזו, שימו לב:

אם האנרגיה הקינטית של האלקטרונים שנפלטו (K) שווה ל- 6 eV ואנרגיית הפוטונים האירועים (E) שווה ל- 4 eV, תהיה לנו:

על פי החישוב שנעשה, פונקציית העבודה של חומר זה, כלומר האנרגיה המינימלית להוצאת האלקטרונים, היא 2 eV.

2) כאשר אנו מאירים לוח מתכתי שתפקוד העבודה שלו הוא 7 eV, אנו צופים בפליטת אלקטרונים עם אנרגיות של 4 eV. לקבוע:

א) האנרגיה של הפוטונים האירועים;

ב) תדירות הפוטונים האירועים.

פתרון הבעיה:

א) בואו נקבע את האנרגיה של פוטוני האור המתקלים באמצעות פונקציית העבודה:

ב) לחישוב תדירות הפוטונים נוכל להשתמש במשוואה הבאה:

אם ניקח את הנתונים שמספק התרגיל, נקבל את החישוב הבא:

מאת רפאל הלרברוק

מָקוֹר: בית ספר ברזיל - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm