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L'effetto fotoelettrico è un fenomeno fisico di base che non solo ha una varietà di applicazioni pratiche attuali, ma ha anche ispirato un campo completamente nuovo della scienza.
Un metallo contiene molti elettroni mobili. Questi elettroni possono essere eccitati quando vengono forniti di energia. E, se l'energia è abbastanza alta, gli elettroni possono essere eccitati fuori dal metallo.
Quando tale eccitazione viene effettuata con la luce, gli elettroni espulsi sono noti come fotoelettroni, da cui questo effetto prende il nome: effetto fotoelettrico.
Qui, dimostreremo l'effetto fotoelettrico utilizzando una piastra metallica di zinco caricata che viene sottoposta alla luce regolare della lampada e alla luce ultravioletta.
Prima di imparare come eseguire l'esperimento e raccogliere i dati, discutiamo i parametri e i principi che governano questo effetto. È stato osservato che affinché l'effetto fotoelettrico avvenga, la frequenza 'f' della luce deve superare una certa soglia minima 'f0' (read- f-zero).
Per capire perché questo è importante, ingrandiamo e diamo un'occhiata a questo processo a livello microscopico. Quando la luce viene fatta brillare su un metallo, i singoli fotoni di luce vengono assorbiti dagli elettroni nel metallo. Ora, affinché questi elettroni vengano rilasciati dal metallo, devono eseguire un po' di lavoro.
Pertanto, l'energia del fotone E assorbito dovrebbe essere maggiore di questa "funzione di lavoro" W del metallo, dove la funzione di lavoro rappresenta l'energia minima, o energia di soglia, necessaria per liberare un elettrone da un metallo specifico.
Ora, poiché l'energia del fotone è direttamente proporzionale alla frequenza della luce, l'energia di soglia corrisponde alla frequenza di soglia f0.
La relazione tra energia e frequenza è data da questa equazione, dove 'h' è la costante di Plank. La stessa equazione può essere utilizzata anche per calcolare la frequenza di soglia.
Ad esempio, la funzione di lavoro dello zinco è di 4,3 elettronvolt. Ciò significa che la frequenza di soglia per l'effetto fotoelettrico che si verifica nello zinco sarà 10^15 Hertz, corrispondente a una lunghezza d'onda di soglia ?0 di 300 nanometri. Una lunghezza d'onda così corta corrisponde alla luce UV
Dopo aver esaminato i principi alla base dell'effetto fotoelettrico, passiamo ora attraverso il protocollo passo dopo passo per dimostrare questo effetto attraverso un semplice esperimento.
Procurati tutti gli strumenti e i materiali necessari per l'esperimento, vale a dire un elettroscopio, una lastra di metallo zincato, un pezzo di carta vetrata, una sorgente UV con una componente di lunghezza d'onda inferiore a 300 nm, una lampada normale che fornisce luce visibile, un'asta acrilica, un pezzo di pelliccia e un paio di occhiali protettivi dai raggi UV.
Per prima cosa, usando la carta vetrata, lucidare la superficie della piastra metallica di zinco. Questo rimuove l'ossido di zinco sulla superficie metallica e facilita il trasferimento di elettroni. Posizionare la piastra di zinco sulla piastra metallica dell'elettroscopio. Assicurarsi che la piastra di zinco sia a diretto contatto con l'elettroscopio.
Quindi, strofina l'asta con il pezzo di pelliccia cinque o sei volte, per fare in modo che l'asta si carichi negativamente. Avvicinare l'asta alla piastra di zinco facendo attenzione a non portarla a contatto tra loro.
Usando l'altra mano, toccare brevemente la piastra di zinco, per caricare positivamente la piastra di zinco attraverso l'induzione. L'ago dell'elettroscopio dovrebbe deviare per indicare che la piastra metallica e tutte le parti dell'elettroscopio ad essa collegate sono cariche.
Quindi, accendi la lampada visibile e avvicinala all'elettroscopio e illumina la sua luce sulla lastra di zinco. Osservare la risposta dell'elettroscopio.
Ora, spegni la lampada normale e indossa gli occhiali protettivi dai raggi UV. Rimuovere la lastra di vetro e accendere la lampada per ottenere una fonte di luce UV e avvicinarla all'elettroscopio. Illumina la luce UV sul metallo di zinco. Osservare la risposta dell'elettroscopio. Quindi spegni la luce UV.
Ora, strofina di nuovo l'asta con la pelliccia cinque o sei volte, per fare in modo che l'asta si carichi negativamente. Portare l'asta a diretto contatto con la piastra di zinco.
Ciò comporterà una deflessione dell'ago dell'elettroscopio a causa del trasferimento di alcune cariche negative sulla piastra di zinco. Riponi l'asta e assicurati di non toccare la piastra metallica di zinco con la mano o qualsiasi altro oggetto.
Quindi, accendi la lampada visibile e avvicinala all'elettroscopio e illumina la sua luce sulla lastra di zinco. Osservare la risposta dell'elettroscopio.
Indossare gli occhiali protettivi dai raggi UV. Rimuovere la lastra di vetro, accendere la luce UV e avvicinarla all'elettroscopio. Illumina la luce UV sul metallo di zinco. Osservare la risposta dell'elettroscopio. Quindi spegni la luce UV.
Passiamo ora in rassegna e interpretiamo i risultati di questi esperimenti.
Nella prima metà dell'esperimento, in cui l'asta carica e la piastra di zinco non sono in contatto diretto tra loro, l'ago rimane deviato sia per la lampada normale che per l'illuminazione a luce UV, indicando che la piastra di zinco rimane carica.
Ciò si verifica perché la lastra di zinco, che ha già perso alcuni elettroni per caricarsi positivamente, perde ulteriormente alcuni fotoelettroni quando la luce UV viene puntata su di essa. Questo rende solo la piastra di zinco leggermente più carica positivamente, deviando un po' di più l'ago dell'elettroscopio.
D'altra parte, quando l'asta carica e la piastra di zinco vengono messe in contatto l'una con l'altra, osserviamo che l'uso della normale luce della lampada non ha alcun effetto sull'elettroscopio. Tuttavia, l'uso della lampada UV provoca il collasso dell'ago dell'elettroscopio e il ritorno alla posizione non carica senza deflessione
Ciò si verifica perché solo i fotoni della luce UV hanno abbastanza energia che è al di sopra della funzione di lavoro dello zinco, per espellere i fotoelettroni. Questo scarica la piastra di zinco che è stata precedentemente caricata negativamente.
Come nel caso precedente, la luce visibile non ha abbastanza energia per eccitare i fotoelettroni, a causa della quale la lastra di zinco non si scarica.
La fotoelettronica è stata studiata per molti decenni e ha portato allo sviluppo di nuovi campi di studio e molteplici applicazioni.
L'effetto fotoelettrico è stato utilizzato per realizzare vari dispositivi optoelettronici che hanno varie applicazioni pratiche. Un esempio di dispositivo optoelettronico è l'interruttore elettrico fotosensibile.
Qui, il blocco o lo sblocco di un raggio di luce che brilla su un metallo spegne o accende una corrente elettrica dovuta all'assenza o alla presenza di fotoelettroni.
I dispositivi di visione notturna o NVD utilizzano anche i principi dell'effetto fotoelettrico per consentire la produzione di immagini a livelli di luce che si avvicinano all'oscurità totale. In breve, i fotoni che colpiscono un film sottile di metallo alcalino o materiale semiconduttore all'interno del dispositivo causano l'espulsione di fotoelettroni a causa dell'effetto fotoelettrico.
Questi elettroni vengono accelerati da un campo elettrostatico e moltiplicati attraverso emissioni secondarie per intensificare il segnale originale. Gli elettroni moltiplicati vengono quindi fatti colpire uno schermo rivestito di fosforo, convertendo gli elettroni in fotoni, formando così un'immagine.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'effetto fotoelettrico. A questo punto dovresti comprendere i concetti di base dell'effetto fotoelettrico e capire anche perché i metalli carichi possono essere scaricati solo utilizzando la luce di una frequenza specifica. Inoltre, questo video ha dimostrato un semplice esperimento per visualizzare l'effetto fotoelettrico utilizzando una piastra metallica di zinco carica esposta alla luce visibile e alla luce UV. Grazie per l'attenzione!
