光电效应

Physics II

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Overview

资料来源: 陈博士体育永,物理系 & & 天文学、 科技大学、 普渡大学、 西拉斐特,在

光电效应是指发射电子从 metalwhen 的光照耀它。为了使电子从金属中解放出来,光的频率需要要足够高,这样的阳光中的光子会有足够的能量。这种能量与入射光的频率成正比。在光电效应研究提供被称为光子的光的量子的实验证据。

本实验将演示光电效应使用带电的锌金属受要么定期灯盏盏或紫外 (UV) 光与更高的频率和光子能量。锌板将连接到一个验电器,仪器可以读取的存在和收费的相对量。实验将证明紫外线,但不是普通的灯具,可以通过弹出其过量电子放电负电荷的锌。然而,既不光源,可以放电正电的锌,符合事实那在光电效应中发出的电子。

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JoVE Science Education Database. 物理学精要 II. 光电效应. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

一种金属包含许多移动电子。它是相对容易激发电子,这些电子,如果他们是兴奋与足够的能量,他们可以离开金属。当这种励磁时用光,出射的电子被称为光电子,这种效应被称为光电效应。已观察到,为了使这种情况发生,光的频率 (f) 必须超过一些最小阈值 (f0),或等价地,光的波长 (λ),由频率 f 有关:

Equation 1

(与 c ≈ 3 × 108 m/s 被光的速度) 必须低于某个阈值 (λ0),那就是,f > f0 (λ < λ0)。否则为如果 f < f0 (λ > λ0),没有光电子将排放甚至与强烈的光照。

阿尔伯特 · 爱因斯坦是能够解释这些观测使用的光子,光的量子概念。光是由许多这种颗粒状的光子,和每一个光子具有的能量:

Equation 2

与 h ≈ 6.63x10-34 Js,称为普朗克常数,一个关乎光子能量的光的频率。

光电效应的微观过程是一个单个的光子吸收由金属和它的能量用于激发电子。将电子从金属如果发出的光子的能量,

Equation 3

其中 W 称为"工作函数",表示需要解放从金属电子的最小能量。如果,

Equation 4

即使光是激烈 (这意味着它包含大量的光子数),即使光线照很长时间,会产生没有光电子,由于单个光子并没有足够的能量来解放电子。

因为它提供关键支持理论的光子 (光量程),这表明光可以表现为作为电磁波,除了粒子和拥有的双粒子波动性,光电效应爱因斯坦解释历史上显著。

例如,金属锌 (锌) 在本实验中使用它的功函数的 W ≈ 4.3 eV (与 1 eV ≈ 1.6x10-19 J)。这意味着为锌光电效应的阈值频率将是:

Equation 5

对应于阈值波长,

Equation 6

为了生产出锌光电子、 光必须有频率超过 f0 ≈ 1015 Hz 或波长 λ0 ≈ 300 以下毫微米。这种短的波长对应于 UV (因为可见光的波长超过 ~ 400 毫微米,对应于紫颜色)。

由于电子带有一个负电荷,光电效应将删除 (有效地将添加到它的正电荷) 金属的负电荷。如果金属最初带负电荷,这将使它更少收取。如果原来带正电的金属,这将使它更被控。在这个实验中,将研究这种影响。

Procedure

1、 本实验获得所需的组件

  1. 获取一个验电器 (图 1),这是一种装置,监视连接到验电器的金属板上的电荷。由于电荷间的库仑排斥力,里面验针会偏转 (或多或少) 如果在盘子里,有更多 (或更少) 的费用,将不会移动如果有没有收费。
  2. 苟锌金属板。用砂纸打磨其表面 (这将移除金属表面上的氧化锌,并很容易失去电子通过光电效应)。
  3. 锌板和顶部的验电器 (图 1) 直接接触的地方。
  4. 获取已低于 300nm 和定期的灯提供可见光的波长分量 UV 光源。获取与防紫外线的太阳镜。
  5. 获得压克力棒和一块毛皮常用来制作费。棒与毛皮摩擦将会加入制棒,棒带负电的电子。

Figure 1

图 1:图中显示不带电荷 () 和带电的 (b) (由针的挠度) 验电器,锌金属板放入并连接到其上的板。(b 的带电的情况是制订积极收费为例。类似的观察是如此负电荷验电器。

2.对负电荷锌的光电影响

  1. 擦杆的 furfive 倍。这将使杆带负电。
  2. 不碰它带来接近锌板、 杆。用另一只手去简要地触摸锌板。这将收取锌板正电荷通过感应 (负电荷的杆吸引了一些积极的收费从手上的锌金属和正电荷保留在金属锌与手的接触被移除之后)。验电器的针应该转移指示金属板上,以及在验电器的所有部件连接到它,被控 (图 2a)。如果需要重复 steps2.1 和 2.2 到板添加更多的指控。
  3. 可见的灯打开,让它接近验电器,其光照射锌板 (图 2b)。观察验电器的反应。
  4. 定期的灯关掉,现在穿上 UV 保护太阳镜。打开 UV 光,让它接近验电器。UV 光照射金属锌 (图 2c)。注意: 点 UV 光远从眼睛和避免直视紫外光后视从紫外线保护眼睛。观察验电器的反应。然后关闭 UV 光。

Figure 2

图 2:图中显示 () 积极充电锌金属的负电荷杆通过感应;并且使 (b) 定期灯光和锌,(c) UV 光观察其对影响电荷状态,所监测的验电器连接到它。

3.光电正电锌影响

  1. 擦杆与 furfive 多次。这将使杆带负电。
  2. 带杆与锌金属板直接接触和摩擦杆板上五倍。这将转移到锌,由针的验电器 (图 3a) 偏转表示一些负电荷。
  3. 收起杆和做使用手或任何其他对象来触摸金属锌。
  4. 定期的 (可见) 灯打开,让它接近验电器,其光照射锌板 (图 3b)。观察验电器的反应。
  5. 请定期电灯关掉现在开 UV 灯和使它接近验电器,UV 光照射金属锌 (图 3c)。谨慎: 点 UV 光往下看,避免直视 UV 光,保护眼睛免受紫外线。观察验电器的反应。然后关闭 UV 光。

Figure 3

图 3:图中显示 () 负充电锌金属的负电荷杆通过直接接触;并且使 (b) 定期灯光和锌,(c) UV 光观察其对影响电荷状态,所监测的验电器连接到它。

光电效应是科学的基本的物理现象,不仅有各种各样的实际当前天应用,而且还激发了一个全新领域。

一种金属包含许多移动电子。这些电子可以激发时提供能源。而且,如果能量足够高,电子可以激发出金属。

当这种激励用光时,出射的电子被称为光电子,给它的名字-光电效应的这种效果。

在这里,我们将演示光电效应使用受到普通灯具光和紫外线的带电的锌金属片。

我们学习如何进行实验与收集数据之前,让我们讨论一下参数和控制这种效果的原则。观察到光的频率 'f' 光电效应发生的顺序,已超过一些最低门槛 'f0' (读-f-零)。

要理解为什么这很重要,让我们放大并在微观的层次看这个过程。当光线照在金属上时,单个光子会被金属中的电子吸收。现在,为了让这些电子必须从金属释放,他们必须执行一些工作。

因此,E 应该是大于这个 '功' W 的金属,其中工作函数表示的最小能量,吸收光子能量或阈值能量需要解放电子从一个特定的金属。

现在由于光子的能量与光的频率成正比,阈值能量对应于阈值频率 f0。

能量与频率之间的关系是由这个方程给出,其中 h 是普朗克常数。相同的方程也可以用于计算临界频率。

例如,锌工作函数是 4.3 电子伏特。这意味着光电效应中锌发生的阈值频率将 10 ^15 赫兹,对应 300 纳米阈值波长 Λ0。这种短的波长对应于 UV 光

在复查了光电效应背后的原则,让我们现在就通过一步一步的协议,来证明这种效果通过一个简单的实验。

获得所有必要的工具和材料的实验即验电器,锌金属板,一块砂纸,紫外光源具有波长分量低于 300nm、 普通灯具提供可见光、 压克力棒、 一块毛皮和一副紫外线防护眼镜。

第一,使用砂纸,波兰人锌金属板表面。这将删除在金属表面上的氧化锌和便于电子转移。锌板验电器的金属板上的地方。请确保锌板与验电器直接接触。

接下来,摩擦杆与一块毛皮五至六倍,使带负电荷的杆。带杆接近锌制版肯定不会带来他们相互接触。

使用另一只手,轻触锌板简要,积极充电锌板通过感应。验电器的针应该转移指示金属板和在验电器的所有部件连接到它,收取。

接下来,打开可见灯和使它接近验电器,其光照射锌板。观察验电器的反应。

现在,请定期电灯关掉并放紫外线防护眼镜。删除玻璃盘子,打开台灯,获取紫外光源,使之接近验电器。UV 光照射金属锌。观察验电器的反应。然后关闭 UV 光。

现在,擦再次与毛皮杆五至六倍,使带负电荷的杆。带杆与锌板直接接触。

这将导致一些负电荷上锌板转让验针偏转。收起杆和确保不去触碰你的手或任何其他对象的锌金属板。

接下来,打开可见灯和使它接近验电器,其光照射锌板。观察验电器的反应。

把放在紫外线防护眼镜。删除玻璃盘子和开启 UV 光和使它接近验电器。UV 光照射金属锌。观察验电器的反应。然后关闭 UV 光。

让我们现在审查和解释这些实验的结果。

在上半年的带电的杆和锌板不处于相互直接接触实验,针仍然是偏转定期灯,UV 灯照明,表明锌板仍然带电。

这是因为锌板,已经失去了一些电子成为带正电,进一步失去一些光电子 UV 光照射在它时。这只会使锌板稍微带正电,偏转验针多一点点。

另一方面,当带电的杆及锌板做相互接触,我们观察,使用常规灯光有验电器没有影响。然而,UV 灯的使用结果中的验电器折叠和返回到不带电位置没有偏转针

这是锌的因为只有 UV 光子有足够的能量,就是锌的以上,弹出光电子功函数。这放电以前带负电的锌板。

与前面的情况,可见光并没有足够的能量来激发的光电子,致使锌板并不因此解除。

光电子技术已经被研究了许多几十年现在,导致了新的研究和多个应用程序领域的发展。

光电效应被用于使各有不同的实际应用的光电器件。光电器件的一个例子是光敏的电气开关。

在这里,阻塞或疏导的一束光照耀着金属关闭或电流由于缺乏或光电子的存在。

夜视装置或 NVDs 还使用光电效应的原则允许图像在水平接近完全黑暗的光的产生。简单地说,光子碰撞薄膜的碱性金属或半导体材料在该装置内的导致光电子由于光电效应的弹射。

这些电子加速了静电场和倍增通过中学排放加紧原始信号。相乘得到的电子,然后提出来罢工荧光屏上,将电子转换回光子,从而形成图像。

你刚看了光电效应的朱庇特的简介。你应该现在了解光电效应的基本概念,也明白为什么带电的金属可以出院,只有使用特定频率的光。此外,这个视频展示了一个简单的实验来可视化光电效应用带电的锌金属板暴露在可见光和紫外线。谢谢观赏 !

Results

对于步骤 2.1-2.4,验电器仍然是带电 (针保持偏转) 普通灯具和 UV 光照明 (图 2b 和 2c),这表明锌板仍然正电。这是因为充电的锌板 (其中已经失去一些电子放在第一位,成为带正电) 进一步丧失了一部分光电子由紫外光,使其进一步带正电。这样的话,它可能是 noticeablethat 的验电器针偏转远一点,在图 2c。经常可见轻不改变锌板和验电器遗骸以及收取 (图 2b) 上的正电荷。

步骤 3.1-3.5,当锌板带负电荷,它可以观察到定期的灯光再有验电器 (图 3b),不影响而防紫外线光导致验电器折叠和返回到不带电位置没有偏转,图 3c的针。这是因为只有 UV 光光子有足够的能量 (以上的锌用) 弹出光电子,从而履行先前指控采取消极的态度 (带正电荷) 锌。

Applications and Summary

在这个实验中,我们 haveused 验电器显示紫外光可以放电通过光电效应的负电荷的锌金属。与此相反,正电荷的锌样品 (已经失去一些电子) 将不会被释放,也不将可见光 (这不能导致光电效应) 放电或消极或积极带电的锌。

光电效应在量子物理学中为它提供了实验证据,光由粒子,我们称之为光子携带量子光能量的光的频率成正比,20 世纪的发展有重要作用。

光电效应在实践上,也被用来使各种光电器件,如光敏电气开关-阻塞或疏导的一束光照耀着的金属变成关闭或打开电流由于缺乏或光电子的存在。这常用的许多机械位置传感器 (例如打开或关闭的一扇门,疏导或阻止一束光)。

1、 本实验获得所需的组件

  1. 获取一个验电器 (图 1),这是一种装置,监视连接到验电器的金属板上的电荷。由于电荷间的库仑排斥力,里面验针会偏转 (或多或少) 如果在盘子里,有更多 (或更少) 的费用,将不会移动如果有没有收费。
  2. 苟锌金属板。用砂纸打磨其表面 (这将移除金属表面上的氧化锌,并很容易失去电子通过光电效应)。
  3. 锌板和顶部的验电器 (图 1) 直接接触的地方。
  4. 获取已低于 300nm 和定期的灯提供可见光的波长分量 UV 光源。获取与防紫外线的太阳镜。
  5. 获得压克力棒和一块毛皮常用来制作费。棒与毛皮摩擦将会加入制棒,棒带负电的电子。

Figure 1

图 1:图中显示不带电荷 () 和带电的 (b) (由针的挠度) 验电器,锌金属板放入并连接到其上的板。(b 的带电的情况是制订积极收费为例。类似的观察是如此负电荷验电器。

2.对负电荷锌的光电影响

  1. 擦杆的 furfive 倍。这将使杆带负电。
  2. 不碰它带来接近锌板、 杆。用另一只手去简要地触摸锌板。这将收取锌板正电荷通过感应 (负电荷的杆吸引了一些积极的收费从手上的锌金属和正电荷保留在金属锌与手的接触被移除之后)。验电器的针应该转移指示金属板上,以及在验电器的所有部件连接到它,被控 (图 2a)。如果需要重复 steps2.1 和 2.2 到板添加更多的指控。
  3. 可见的灯打开,让它接近验电器,其光照射锌板 (图 2b)。观察验电器的反应。
  4. 定期的灯关掉,现在穿上 UV 保护太阳镜。打开 UV 光,让它接近验电器。UV 光照射金属锌 (图 2c)。注意: 点 UV 光远从眼睛和避免直视紫外光后视从紫外线保护眼睛。观察验电器的反应。然后关闭 UV 光。

Figure 2

图 2:图中显示 () 积极充电锌金属的负电荷杆通过感应;并且使 (b) 定期灯光和锌,(c) UV 光观察其对影响电荷状态,所监测的验电器连接到它。

3.光电正电锌影响

  1. 擦杆与 furfive 多次。这将使杆带负电。
  2. 带杆与锌金属板直接接触和摩擦杆板上五倍。这将转移到锌,由针的验电器 (图 3a) 偏转表示一些负电荷。
  3. 收起杆和做使用手或任何其他对象来触摸金属锌。
  4. 定期的 (可见) 灯打开,让它接近验电器,其光照射锌板 (图 3b)。观察验电器的反应。
  5. 请定期电灯关掉现在开 UV 灯和使它接近验电器,UV 光照射金属锌 (图 3c)。谨慎: 点 UV 光往下看,避免直视 UV 光,保护眼睛免受紫外线。观察验电器的反应。然后关闭 UV 光。

Figure 3

图 3:图中显示 () 负充电锌金属的负电荷杆通过直接接触;并且使 (b) 定期灯光和锌,(c) UV 光观察其对影响电荷状态,所监测的验电器连接到它。

光电效应是科学的基本的物理现象,不仅有各种各样的实际当前天应用,而且还激发了一个全新领域。

一种金属包含许多移动电子。这些电子可以激发时提供能源。而且,如果能量足够高,电子可以激发出金属。

当这种激励用光时,出射的电子被称为光电子,给它的名字-光电效应的这种效果。

在这里,我们将演示光电效应使用受到普通灯具光和紫外线的带电的锌金属片。

我们学习如何进行实验与收集数据之前,让我们讨论一下参数和控制这种效果的原则。观察到光的频率 'f' 光电效应发生的顺序,已超过一些最低门槛 'f0' (读-f-零)。

要理解为什么这很重要,让我们放大并在微观的层次看这个过程。当光线照在金属上时,单个光子会被金属中的电子吸收。现在,为了让这些电子必须从金属释放,他们必须执行一些工作。

因此,E 应该是大于这个 '功' W 的金属,其中工作函数表示的最小能量,吸收光子能量或阈值能量需要解放电子从一个特定的金属。

现在由于光子的能量与光的频率成正比,阈值能量对应于阈值频率 f0。

能量与频率之间的关系是由这个方程给出,其中 h 是普朗克常数。相同的方程也可以用于计算临界频率。

例如,锌工作函数是 4.3 电子伏特。这意味着光电效应中锌发生的阈值频率将 10 ^15 赫兹,对应 300 纳米阈值波长 Λ0。这种短的波长对应于 UV 光

在复查了光电效应背后的原则,让我们现在就通过一步一步的协议,来证明这种效果通过一个简单的实验。

获得所有必要的工具和材料的实验即验电器,锌金属板,一块砂纸,紫外光源具有波长分量低于 300nm、 普通灯具提供可见光、 压克力棒、 一块毛皮和一副紫外线防护眼镜。

第一,使用砂纸,波兰人锌金属板表面。这将删除在金属表面上的氧化锌和便于电子转移。锌板验电器的金属板上的地方。请确保锌板与验电器直接接触。

接下来,摩擦杆与一块毛皮五至六倍,使带负电荷的杆。带杆接近锌制版肯定不会带来他们相互接触。

使用另一只手,轻触锌板简要,积极充电锌板通过感应。验电器的针应该转移指示金属板和在验电器的所有部件连接到它,收取。

接下来,打开可见灯和使它接近验电器,其光照射锌板。观察验电器的反应。

现在,请定期电灯关掉并放紫外线防护眼镜。删除玻璃盘子,打开台灯,获取紫外光源,使之接近验电器。UV 光照射金属锌。观察验电器的反应。然后关闭 UV 光。

现在,擦再次与毛皮杆五至六倍,使带负电荷的杆。带杆与锌板直接接触。

这将导致一些负电荷上锌板转让验针偏转。收起杆和确保不去触碰你的手或任何其他对象的锌金属板。

接下来,打开可见灯和使它接近验电器,其光照射锌板。观察验电器的反应。

把放在紫外线防护眼镜。删除玻璃盘子和开启 UV 光和使它接近验电器。UV 光照射金属锌。观察验电器的反应。然后关闭 UV 光。

让我们现在审查和解释这些实验的结果。

在上半年的带电的杆和锌板不处于相互直接接触实验,针仍然是偏转定期灯,UV 灯照明,表明锌板仍然带电。

这是因为锌板,已经失去了一些电子成为带正电,进一步失去一些光电子 UV 光照射在它时。这只会使锌板稍微带正电,偏转验针多一点点。

另一方面,当带电的杆及锌板做相互接触,我们观察,使用常规灯光有验电器没有影响。然而,UV 灯的使用结果中的验电器折叠和返回到不带电位置没有偏转针

这是锌的因为只有 UV 光子有足够的能量,就是锌的以上,弹出光电子功函数。这放电以前带负电的锌板。

与前面的情况,可见光并没有足够的能量来激发的光电子,致使锌板并不因此解除。

光电子技术已经被研究了许多几十年现在,导致了新的研究和多个应用程序领域的发展。

光电效应被用于使各有不同的实际应用的光电器件。光电器件的一个例子是光敏的电气开关。

在这里,阻塞或疏导的一束光照耀着金属关闭或电流由于缺乏或光电子的存在。

夜视装置或 NVDs 还使用光电效应的原则允许图像在水平接近完全黑暗的光的产生。简单地说,光子碰撞薄膜的碱性金属或半导体材料在该装置内的导致光电子由于光电效应的弹射。

这些电子加速了静电场和倍增通过中学排放加紧原始信号。相乘得到的电子,然后提出来罢工荧光屏上,将电子转换回光子,从而形成图像。

你刚看了光电效应的朱庇特的简介。你应该现在了解光电效应的基本概念,也明白为什么带电的金属可以出院,只有使用特定频率的光。此外,这个视频展示了一个简单的实验来可视化光电效应用带电的锌金属板暴露在可见光和紫外线。谢谢观赏 !

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