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Der photoelektrische Effekt ist ein grundlegendes physikalisches Phänomen, das nicht nur eine Vielzahl praktischer Anwendungen in der heutigen Zeit hat, sondern auch ein ganz neues Gebiet der Wissenschaft inspiriert hat.
Ein Metall enthält viele bewegliche Elektronen. Diese Elektronen können angeregt werden, wenn sie mit Energie versorgt werden. Und wenn die Energie hoch genug ist, können die Elektronen aus dem Metall heraus angeregt werden.
Wenn eine solche Anregung mit Licht erfolgt, werden die ausgestoßenen Elektronen als Photoelektronen bezeichnet, was diesem Effekt seinen Namen gibt - den photoelektrischen Effekt.
Hier demonstrieren wir den photoelektrischen Effekt anhand einer geladenen Zinkmetallplatte, die normalem Lampenlicht und ultraviolettem Licht ausgesetzt wird.
Bevor wir lernen, wie man das Experiment durchführt und Daten sammelt, lassen Sie uns die Parameter und Prinzipien besprechen, die diesen Effekt steuern. Es wurde beobachtet, dass die Frequenz 'f' des Lichts eine minimale Schwelle 'f0' (lesen - f-Null) überschreiten muss, damit der photoelektrische Effekt auftreten kann.
Um zu verstehen, warum dies wichtig ist, zoomen wir hinein und werfen einen Blick auf diesen Prozess auf mikroskopischer Ebene. Wenn das Licht auf ein Metall gerichtet wird, werden einzelne Lichtphotonen von den Elektronen im Metall absorbiert. Damit diese Elektronen nun aus dem Metall freigesetzt werden können, müssen sie einige Arbeit leisten.
Daher sollte die Energie des absorbierten Photons E größer sein als diese "Arbeitsfunktion" W des Metalls, wobei die Arbeitsfunktion die minimale Energie oder Schwellenenergie darstellt, die erforderlich ist, um ein Elektron von einem bestimmten Metall zu befreien.
Da nun die Energie des Photons direkt proportional zur Frequenz des Lichts ist, entspricht die Schwellenenergie der Schwellenfrequenz f0.
Die Beziehung zwischen Energie und Frequenz wird durch diese Gleichung gegeben, wobei "h" die Konstante der Plank ist. Die gleiche Gleichung kann auch zur Berechnung der Schwellenfrequenz verwendet werden.
Zum Beispiel beträgt die Arbeitsfunktion von Zink 4,3 Elektronenvolt. Dies bedeutet, dass die Schwellenfrequenz für das Auftreten eines photoelektrischen Effekts in Zink 10^15 Hertz beträgt, was einer Schwellenlänge ?0 von 300 Nanometern entspricht. Eine so kurze Wellenlänge entspricht dem UV-Licht
Nachdem wir die Prinzipien hinter dem photoelektrischen Effekt überprüft haben, gehen wir nun das Schritt-für-Schritt-Protokoll durch, um diesen Effekt durch ein einfaches Experiment zu demonstrieren.
Besorgen Sie sich alle notwendigen Instrumente und Materialien für das Experiment, nämlich ein Elektroskop, eine Zinkmetallplatte, ein Stück Schleifpapier, eine UV-Quelle mit einer Wellenlängenkomponente unter 300 nm, eine normale Lampe, die sichtbares Licht spendet, einen Acrylstab, ein Stück Fell und eine UV-Schutzbrille.
Polieren Sie zuerst mit dem Schleifpapier die Oberfläche der Zinkmetallplatte. Dadurch wird das Zinkoxid auf der Metalloberfläche entfernt und der Elektronentransfer erleichtert. Legen Sie die Zinkplatte auf die Metallplatte des Elektroskops. Stellen Sie sicher, dass die Zinkplatte in direktem Kontakt mit dem Elektroskop steht.
Reiben Sie dann die Rute fünf- bis sechsmal mit dem Fellstück ab, um die Rute negativ aufzuladen. Bringen Sie den Stab in die Nähe der Zinkplatte und achten Sie darauf, dass sie nicht miteinander in Berührung kommen.
Berühren Sie mit der anderen Hand kurz die Zinkplatte, um die Zinkplatte durch Induktion positiv aufzuladen. Die Nadel des Elektroskops sollte abgelenkt werden, um anzuzeigen, dass die Metallplatte und alle damit verbundenen Teile des Elektroskops geladen sind.
Schalten Sie dann die sichtbare Lampe ein und bringen Sie sie in die Nähe des Elektroskops und leuchten Sie mit ihrem Licht auf die Zinkplatte. Beobachten Sie die Reaktion des Elektroskops.
Schalten Sie nun die normale Lampe aus und setzen Sie die UV-Schutzbrille auf. Entfernen Sie die Glasplatte und schalten Sie die Lampe ein, um eine UV-Lichtquelle zu erhalten, und bringen Sie sie in die Nähe des Elektroskops. Beleuchten Sie das Zinkmetall mit dem UV-Licht. Beobachten Sie die Reaktion des Elektroskops. Schalten Sie dann das UV-Licht aus.
Reiben Sie nun die Rute wieder fünf- bis sechsmal mit dem Fell ab, um die Rute negativ geladen zu machen. Bringen Sie den Stab in direkten Kontakt mit der Zinkplatte.
Dies führt zu einer Ablenkung der Nadel des Elektroskops aufgrund der Übertragung einiger negativer Ladungen auf die Zinkplatte. Legen Sie die Stange weg und achten Sie darauf, die Zinkplatte nicht mit der Hand oder einem anderen Gegenstand zu berühren.
Schalten Sie dann die sichtbare Lampe ein und bringen Sie sie in die Nähe des Elektroskops und leuchten Sie mit ihrem Licht auf die Zinkplatte. Beobachten Sie die Reaktion des Elektroskops.
Setzen Sie die UV-Schutzbrille auf. Entfernen Sie die Glasplatte, schalten Sie das UV-Licht ein und bringen Sie es in die Nähe des Elektroskops. Beleuchten Sie das Zinkmetall mit dem UV-Licht. Beobachten Sie die Reaktion des Elektroskops. Schalten Sie dann das UV-Licht aus.
Lassen Sie uns nun die Ergebnisse dieser Experimente überprüfen und interpretieren.
In der ersten Hälfte des Experiments, in der der geladene Stab und die Zinkplatte nicht in direktem Kontakt miteinander stehen, bleibt die Nadel sowohl für die normale Lampe als auch für die UV-Lichtbeleuchtung abgelenkt, was darauf hinweist, dass die Zinkplatte geladen bleibt.
Dies geschieht, weil die Zinkplatte, die bereits einige Elektronen verloren hat, um positiv geladen zu werden, weitere Photoelektronen verliert, wenn das UV-Licht auf sie scheint. Dadurch wird die Zinkplatte nur geringfügig positiver geladen, wodurch die Elektroskopnadel etwas mehr abgelenkt wird.
Auf der anderen Seite, wenn der geladene Stab und die Zinkplatte miteinander in Kontakt kommen, beobachten wir, dass die Verwendung des normalen Lampenlichts keinen Einfluss auf das Elektroskop hat. Die Verwendung der UV-Lampe führt jedoch dazu, dass die Nadel des Elektroskops kollabiert und ohne Ablenkung in die ungeladene Position zurückkehrt
Dies geschieht, weil nur UV-Lichtphotonen genügend Energie haben, die über der Arbeitsfunktion von Zink liegt, um Photoelektronen auszustoßen. Dadurch wird die zuvor negativ geladene Zinkplatte entladen.
Wie im vorherigen Fall hat das sichtbare Licht nicht genügend Energie, um Photoelektronen anzuregen, wodurch sich die Zinkplatte nicht entlädt.
Die Photoelektronik wird seit vielen Jahrzehnten erforscht und hat zur Entwicklung neuer Studiengebiete und vielfältiger Anwendungen geführt.
Der photoelektrische Effekt wurde genutzt, um verschiedene optoelektronische Geräte herzustellen, die unterschiedliche praktische Anwendungen haben. Ein Beispiel für ein optoelektronisches Bauelement ist der lichtempfindliche elektrische Schalter.
Hier schaltet das Blockieren oder Entsperren eines Lichtstrahls, der auf ein Metall scheint, einen elektrischen Strom aufgrund des Fehlens oder Vorhandenseins von Photoelektronen aus oder ein.
Nachtsichtgeräte oder NVDs nutzen ebenfalls die Prinzipien des photoelektrischen Effekts, um Bilder bei Lichtverhältnissen zu erzeugen, die sich der völligen Dunkelheit nähern. Kurz gesagt, Photonen, die auf eine dünne Schicht aus Alkalimetall oder Halbleitermaterial innerhalb des Geräts treffen, verursachen aufgrund des photoelektrischen Effekts den Ausstoß von Photoelektronen.
Diese Elektronen werden durch ein elektrostatisches Feld beschleunigt und durch Sekundäremissionen vervielfältigt, um das ursprüngliche Signal zu verstärken. Die multiplizierten Elektronen werden dann dazu gebracht, auf einen phosphorbeschichteten Schirm zu treffen, wodurch die Elektronen wieder in Photonen umgewandelt werden und so ein Bild entsteht.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in den photoelektrischen Effekt gesehen. Sie sollten nun die grundlegenden Konzepte des photoelektrischen Effekts verstehen und auch verstehen, warum geladene Metalle nur mit Licht einer bestimmten Frequenz entladen werden können. Darüber hinaus demonstrierte dieses Video ein einfaches Experiment zur Visualisierung des photoelektrischen Effekts mit einer geladenen Zinkmetallplatte, die sichtbarem Licht und UV-Licht ausgesetzt war. Danke fürs Zuschauen!
