$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Efekt fotoelektryczny jest podstawowym zjawiskiem fizycznym, które nie tylko ma wiele praktycznych zastosowań w dzisiejszych czasach, ale także zainspirowało zupełnie nową dziedzinę nauki.
Metal zawiera wiele ruchomych elektronów. Elektrony te mogą być wzbudzone, gdy są dostarczane z energią. A jeśli energia jest wystarczająco wysoka, elektrony mogą zostać wzbudzone z metalu.
Kiedy takie wzbudzenie odbywa się za pomocą światła, wyrzucone elektrony są znane jako fotoelektrony, od czego pochodzi nazwa tego efektu - efekt fotoelektryczny.
Tutaj zademonstrujemy efekt fotoelektryczny za pomocą naładowanej metalowej płytki cynkowej, która jest poddawana zwykłemu światłu lampy i światłu ultrafioletowemu.
Zanim nauczymy się, jak przeprowadzić eksperyment i zebrać dane, omówmy parametry i zasady, które rządzą tym efektem. Zaobserwowano, że aby zaistniał efekt fotoelektryczny, częstotliwość "f" światła musi przekroczyć pewien minimalny próg "f0" (czytaj - f-zero).
Aby zrozumieć, dlaczego jest to ważne, zbliżmy się i przyjrzyjmy się temu procesowi na poziomie mikroskopowym. Kiedy światło pada na metal, pojedyncze fotony świetlne są pochłaniane przez elektrony w metalu. Teraz, aby te elektrony zostały uwolnione z metalu, muszą wykonać pewną pracę.
Zatem energia pochłoniętego fotonu E powinna być większa niż ta "funkcja pracy" W metalu, gdzie funkcja pracy reprezentuje minimalną energię lub energię progową potrzebną do uwolnienia elektronu z określonego metalu.
Otóż ponieważ energia fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości światła, energia progowa odpowiada częstotliwości progowej f0.
Zależność między energią a częstotliwością jest określona przez to równanie, gdzie "h" jest stałą Planka. To samo równanie można również wykorzystać do obliczenia częstotliwości progowej.
Na przykład funkcja pracy cynku wynosi 4,3 elektronowoltów. Oznacza to, że częstotliwość progowa dla wystąpienia efektu fotoelektrycznego w cynku wyniesie 10^15 Hz, co odpowiada progowej długości fali ?0 wynoszącej 300 nanometrów. Tak krótka długość fali odpowiada światłu UV
Po zapoznaniu się z zasadami działania efektu fotoelektrycznego, przejdźmy teraz przez protokół krok po kroku, aby zademonstrować ten efekt za pomocą prostego eksperymentu.
Zdobądź wszystkie niezbędne instrumenty i materiały do eksperymentu, a mianowicie elektroskop, cynkową płytkę, kawałek papieru ściernego, źródło UV o długości fali poniżej 300 nm, zwykłą lampę zapewniającą światło widzialne, akrylowy pręt, kawałek futra i parę okularów ochronnych UV.
Najpierw za pomocą papieru ściernego wypoleruj powierzchnię metalowej płytki cynkowej. Usuwa to tlenek cynku z powierzchni metalu i ułatwia przenoszenie elektronów. Umieść cynkową płytkę na metalowej płytce elektroskopu. Upewnij się, że płytka cynkowa ma bezpośredni kontakt z elektroskopem.
Następnie przetrzyj pręt kawałkiem futra pięć do sześciu razy, aby pręt był naładowany ujemnie. Zbliż pręt do płytki cynkowej, uważając, aby nie stykały się ze sobą.
Drugą ręką dotknij krótko płytki cynkowej, aby dodatnio naładować płytkę cynkową poprzez indukcję. Igła elektroskopu powinna odchylić się, aby wskazać, że metalowa płytka i wszystkie połączone z nią części elektroskopu są naładowane.
Następnie włącz widzialną lampę i zbliż ją do elektroskopu i skieruj jej światło na cynkową płytkę. Obserwuj reakcję elektroskopu.
Teraz wyłącz zwykłą lampę i załóż okulary chroniące przed promieniowaniem UV. Zdejmij szklaną płytkę i włącz lampę, aby uzyskać źródło światła UV i zbliż je do elektroskopu. Świecić światłem UV na metaliczny cynk. Obserwuj reakcję elektroskopu. Następnie wyłącz światło UV.
Teraz ponownie przetrzyj pręt futrem pięć do sześciu razy, aby pręt był naładowany ujemnie. Doprowadź pręt do bezpośredniego kontaktu z płytką cynkową.
Spowoduje to ugięcie igły elektroskopu z powodu przeniesienia niektórych ładunków ujemnych na płytkę cynkową. Odłóż pręt i upewnij się, że nie dotykasz cynkowej metalowej płytki ręką ani żadnym innym przedmiotem.
Następnie włącz widzialną lampę i zbliż ją do elektroskopu i skieruj jej światło na cynkową płytkę. Obserwuj reakcję elektroskopu.
Załóż okulary chroniące przed promieniowaniem UV. Zdejmij szklaną płytkę i włącz światło UV i zbliż je do elektroskopu. Świecić światłem UV na metaliczny cynk. Obserwuj reakcję elektroskopu. Następnie wyłącz światło UV.
Przyjrzyjmy się teraz wynikom tych eksperymentów i ich interpretacji.
W pierwszej połowie eksperymentu, w której naładowany pręt i płytka cynkowa nie stykają się ze sobą bezpośrednio, igła pozostaje odchylona zarówno dla zwykłej lampy, jak i dla oświetlenia światłem UV, co wskazuje, że płytka cynkowa pozostaje naładowana.
Dzieje się tak, ponieważ płytka cynkowa, która straciła już trochę elektronów, aby stać się naładowana dodatnio, dalej traci część fotoelektronów, gdy pada na nią światło UV. To tylko sprawia, że płytka cynkowa jest nieco bardziej dodatnio naładowana, odchylając igłę elektroskopu nieco bardziej.
Z drugiej strony, gdy naładowany pręt i płytka cynkowa stykają się ze sobą, zauważamy, że użycie zwykłego światła lampy nie ma wpływu na elektroskop. Jednak użycie lampy UV powoduje, że igła elektroskopu zapada się i wraca do pozycji nienaładowanej bez ugięcia
Dzieje się tak, ponieważ tylko fotony światła UV mają wystarczającą energię, która jest wyższa niż funkcja robocza cynku, aby wyrzucić fotoelektrony. Powoduje to rozładowanie płytki cynkowej, która była wcześniej naładowana ujemnie.
Podobnie jak w poprzednim przypadku, światło widzialne nie ma wystarczającej energii do wzbudzenia fotoelektronów, przez co płytka cynkowa nie rozładowuje się.
Fotoelektronika jest badana od wielu dziesięcioleci i doprowadziła do rozwoju nowych dziedzin nauki i wielu zastosowań.
Efekt fotoelektryczny został wykorzystany do produkcji różnych urządzeń optoelektronicznych, które mają różne zastosowania praktyczne. Jednym z przykładów urządzenia optoelektronicznego jest światłoczuły wyłącznik elektryczny.
W tym przypadku zablokowanie lub odblokowanie wiązki światła padającej na metal wyłącza lub włącza prąd elektryczny z powodu braku lub obecności fotoelektronów.
Noktowizory lub NVD wykorzystują również zasady efektu fotoelektrycznego, aby umożliwić tworzenie obrazów przy poziomach światła zbliżających się do całkowitej ciemności. Krótko mówiąc, fotony uderzające w cienką warstwę metalu alkalicznego lub materiału półprzewodnikowego w urządzeniu powodują wyrzucanie fotoelektronów w wyniku efektu fotoelektrycznego.
Elektrony te są przyspieszane przez pole elektrostatyczne i mnożone przez emisje wtórne w celu zintensyfikowania pierwotnego sygnału. Zwielokrotnione elektrony są następnie zmuszane do uderzenia w ekran pokryty luminoforem, przekształcając elektrony z powrotem w fotony, tworząc w ten sposób obraz.
Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE do efektu fotoelektrycznego. Powinieneś teraz zrozumieć podstawowe pojęcia efektu fotoelektrycznego, a także zrozumieć, dlaczego naładowane metale mogą być rozładowywane tylko za pomocą światła o określonej częstotliwości. Ponadto film ten zademonstrował prosty eksperyment mający na celu wizualizację efektu fotoelektrycznego przy użyciu naładowanej metalowej płytki cynkowej wystawionej na działanie światła widzialnego i światła UV. Dzięki za oglądanie!
