Overview
Fuente: Yong P. Chen, PhD, Departamento de física & & Astronomía, Facultad de Ciencias, Universidad de Purdue, West Lafayette, IN
Efecto fotoeléctrico se refiere a la emisión de electrones de una metalwhen luz está brillando en él. En fin de que los electrones liberados en el metal, la frecuencia de la luz debe ser lo suficientemente alta que los fotones de la luz tienen energía suficiente. Esta energía es proporcional a la frecuencia de luz. El efecto fotoeléctrico proporcionó la evidencia experimental para el quántum de la luz que se conoce como photon.
Este experimento demostrará el efecto fotoeléctrico mediante un metal de zinc cargados sujetos ya sea a una lámpara normal o luz ultravioleta (UV) con mayor frecuencia y energía del fotón. La placa de zinc se conectará a un electroscopio, un instrumento que puede leer la presencia y cantidad relativa de los cargos. El experimento se demostrará que la luz UV, pero no la lámpara regular, puede descargar el zinc cargado negativamente por expulsar sus exceso electrones. Ni fuente de luz, sin embargo, puede descarga de zinc cargado positivamente, consistente con el hecho de electrones que son emitidos en el efecto fotoeléctrico.
Principles
Un metal contiene muchos electrones móviles. Es relativamente fácil de excitar estos electrones y si entusiasma con la suficiente energía, puede dejar el metal. Cuando tal una excitación con luz, los electrones expulsados se conocen como fotoelectrones y este efecto es conocido como efecto fotoeléctrico. Se ha observado que en orden para que esto suceda, la frecuencia (f) de la luz debe superar cierto umbral mínimo (f0), o equivalente, la longitud de onda luz (λ), que se relaciona con la frecuencia f por:
(con c ≈ 3 x 108 m/s siendo la velocidad de la luz) tiene que estar por debajo de cierto umbral (λ0), es decir, f > f0 (λ < λ0). If no, f < f0 (λ > λ0), no se emitirá fotoelectrones incluso con iluminación de luz intensa.
Albert Einstein pudo explicar estas observaciones utilizando el concepto de fotones, los cuantos de luz. La luz consiste en muchos de estos fotones como partículas, y cada fotón tiene energía:
con h ≈ 6.63x10-34 Js, llamada constante de Planck que relaciona la frecuencia de luz a la energía del fotón.
El proceso microscópico del efecto fotoeléctrico es que un fotón individual es absorbido por el metal y su energía se utiliza para excitar un electrón. El electrón será emitida desde el metal si la energía del fotón,
donde W es conocida como la "función trabajo" y representa la energía mínima necesaria para liberar el electrón del metal. If,
incluso si la luz es intensa (lo que significa que contiene un gran número de fotones) e incluso si la luz se brilla durante mucho tiempo, no se producirán fotoelectrones desde los fotones individuales no tienen suficiente energía para liberar electrones.
Explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico era históricamente importante como proporcionó apoyo clave para la teoría de fotones (cuantos de luz), que demuestra que la luz puede comportarse como partículas además como ondas electromagnéticas y poseen la naturaleza dual onda partícula.
Por ejemplo, metal de zinc (Zn) para ser utilizado en este experimento tiene una función de trabajo de W ≈ 4,3 eV (con eV 1 ≈ 1.6x10-19 J). Esto significa que la frecuencia umbral para el efecto fotoeléctrico para Zn será:
correspondiente a una longitud de onda umbral,
Para producir fotoelectrones de Zn, la luz debe tener una frecuencia superior a f0 ≈ 1015 Hz, o una longitud de onda por debajo de λ0 ≈ 300 nm. Una longitud de onda corta corresponde a los rayos UV (puesto que la luz visible tiene una longitud de onda superior a ~ 400 nm, que corresponde al color violeta).
Puesto que un electrón lleva una carga negativa, el efecto fotoeléctrico se eliminará cargas negativas de un metal (efectivamente añadiendo cargas positivas). Si el metal originalmente se carga negativamente, esto hará que menos cobran. Si el metal originalmente se carga positivamente, esto hará que sea más cargado. Tales efectos se estudiarán en este experimento.
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Procedure
1. obtener los componentes necesarios para este experimento
- Obtener un electroscopio (figura 1), que es un dispositivo que monitorea la carga en la placa metálica conectada al electroscopio. Debido a la fuerza de repulsión coulombiana entre los cargos, la aguja dentro del electroscopio desviará más (o menos), si hay cargos de más (o menos) en la placa y no se mueve si no hay cargos.
- Obtaina chapa zinc. Utilice papel de lija para pulir su superficie (Esto elimina el óxido de zinc en la superficie del metal y hace más fácil perder electrones por efecto fotoeléctrico).
- Coloque la placa de cinc y en contacto directo con la parte superior del electroscopio (figura 1).
- Obtener una fuente de luz UV, que tiene un componente de la longitud de onda por debajo de 300nm y una lámpara regular proporcionar luz visible. Obtener una gafas de sol con protección UV.
- Obtener una barra de acrílico y un pedazo de piel de uso general para producir cargas. Frotando la varilla con la piel añadir electrones a la barra, haciendo que la varilla cargada negativamente.
Figura 1 : Diagrama que muestra un uncharged (una) y una carga (b) (indicada por la desviación de la aguja) electroscopio, con una placa de metal de zinc a y conectado a la placa superior. (La situación cargada de b se dibuja como un ejemplo para cargas positivas. Una observación similar es válida para electroscopio cargado negativamente.
2. efectos fotoeléctrico de Zinc cargado negativamente
- Frotar la barra con los tiempos de furfive. Esto hará que la varilla cargada negativamente.
- Llevar la barra cerca de la placa del cinc, sin tocarla. Utilice la otra mano tocar brevemente la placa de zinc. Esto carga la placa de zinc ser cargada positivamente por inducción (la varilla negativamente cargada atrae positivo algunos cargos de la mano sobre el metal de cinc y las cargas positivas quedan en el metal de cinc después de su contacto con la mano). Debe moverse la aguja del electroscopio indicar que la placa metálica, junto con todas las piezas en el electroscopio conectado a él, está cargada (Figura 2a). Si es necesario, repetir steps2.1 y 2.2 para añadir más cargas a la placa.
- Encender la lámpara visible y trae cerca del electroscopio a brillar su luz en la placa de zinc (figura 2b). Observar la respuesta del electroscopio.
- Apague la lámpara regular y ahora en la UV protección de gafas de sol. Encienda la UV luz y acercar al electroscopio. Brillar la luz UV en el metal de zinc (figura 2C). PRECAUCIÓN: La UV a la luz de los ojos y evite mirar directamente a la lightto UV protegen los ojos de UV. Observar la respuesta del electroscopio. Luego apague la UV luz.
Figura 2 : Esquema (a) carga positiva del metal de zinc por la varilla cargada negativamente por inducción; y luz de lámpara normal (b) y (c) para observar sus efectos sobre la carga de la luz UV estado del zinc, como controlado por el electroscopio conectado a él.
3. efectos fotoeléctrico de Zinc cargado positivamente
- Frotar la barra con los tiempos de furfive otra vez. Esto hará que la varilla cargada negativamente.
- Poner la varilla en contacto directo con la chapa de zinc y frote la varilla en el plato cinco veces. Esto transferirá algunas cargas negativas en el zinc, indicada por la desviación de la aguja del electroscopio (figura 3a).
- Dejar a un lado la barra y hacer no utilizar la mano u otros objetos para tocar el metal de zinc.
- Encender la lámpara (visible) regular y acercar al electroscopio de brillar su luz en la placa de zinc (figura 3b). Observar la respuesta del electroscopio.
- Apague la lámpara regular y ahora encender la luz UV y acercar al electroscopio para brillar la luz UV en el metal de zinc (Figura 3C). PRECAUCIÓN: la UV la luz de los ojos y evite mirar directamente a lo rayos UV luz para proteger los ojos de los UV. Observar la respuesta del electroscopio. Luego apague la UV luz.
Figura 3 : Esquema (a) carga negativamente el metal de cinc por la varilla cargada negativamente a través de contacto directo; y luz de lámpara normal (b) y (c) para observar sus efectos sobre la carga de la luz UV estado del zinc, como controlado por el electroscopio conectado a él.
El efecto fotoeléctrico es un fenómeno físico fundamental que no sólo tiene una variedad de aplicaciones prácticas de la actual, pero también ha inspirado un nuevo campo de la ciencia.
Un metal contiene muchos electrones móviles. Estos electrones pueden ser excitados cuando con energía. Y, si la energía es suficientemente alta, los electrones pueden ser excitados por el metal.
Cuando tal una excitación con luz, los electrones expulsados se denominan fotoelectrones, dando este efecto su nombre - el efecto fotoeléctrico.
Aquí, demostramos el efecto fotoeléctrico utilizando una placa de metal de zinc cargada que se somete a luz ultravioleta y la luz de la lámpara regular.
Antes de aprender cómo llevar a cabo el experimento y recoger los datos, vamos a discutir los parámetros y principios que rigen este efecto. Se ha observado que para el efecto fotoeléctrico a pasar, la frecuencia 'f' de la luz tiene que superar cierto umbral mínimo 'f0' (leer-f-zero).
Para entender por qué esto es importante, vamos a acercar y echa un vistazo a este proceso a nivel microscópico. Cuando la luz se brilla en un metal, los fotones de luz son absorbidos por los electrones en el metal. Ahora, a fin de estos electrones que liberación del metal, tienen que realizar algún trabajo.
Así, la energía del fotón absorbido que e debe ser superior a este trabajo función W del metal, donde la función de trabajo representa la energía mínima o umbral energía, necesaria para liberar un electrón de un metal específico.
Ahora puesto que la energía del fotón es directamente proporcional a la frecuencia de la luz, la energía umbral corresponde a la frecuencia umbral f0.
La relación entre energía y frecuencia está dada por esta ecuación, donde 'h' es la constante de Plank. La misma ecuación puede utilizarse también para calcular la frecuencia umbral.
Por ejemplo, la función de trabajo de zinc es 4,3 electrón-volts. Esto significa que la frecuencia umbral de efecto fotoeléctrico en zinc será 10 ^ 15 Hertz, corresponde a una Λ0 de longitud de onda umbral de 300 nanómetros. Una longitud de onda corta corresponde a la luz UV
Habiendo examinado los principios del efecto fotoeléctrico, ahora vamos a través del protocolo paso a paso para demostrar este efecto a través de un simple experimento.
Obtener todos los instrumentos necesarios y materiales para el experimento, a saber, un electroscopio, una placa metálica de zinc, un pedazo de papel de lija, una fuente de UV que tiene un componente de la longitud de onda por debajo de 300nm, una lámpara regular proporcionando luz visible, una barra de acrílico, un pedazo de piel y un par de anteojos protectores de UV.
En primer lugar, utilizando el papel de lija, pulir la superficie de la placa metálica zinc. Esto elimina el óxido de zinc en la superficie del metal y facilita la transferencia de electrones. Coloque la placa de zinc sobre la placa metálica del electroscopio de la. Asegúrese que la placa de cinc en contacto con el electroscopio.
A continuación, frote la varilla con el pedazo de piel de cinco a seis veces, para hacer la varilla cargada negativamente. Llevar la barra cerca de la placa de zinc asegurándose de no poner en contacto entre sí.
Con la otra mano, toque la placa de zinc brevemente, para cargar positivamente la placa de cinc a través de la inducción. La aguja del electroscopio debe moverse para indicar que la placa metálica y todas las partes en el electroscopio conectado a él, se cargan.
A continuación, encender la lámpara visible y llevarlo cerca del electroscopio y brillar su luz en la placa de zinc. Observar la respuesta del electroscopio.
Ahora, apague la lámpara regular y poner en las gafas de protección UV. Retire la placa de vidrio y encender la lámpara para obtener una fuente de luz UV y acercar al electroscopio. Brillar la luz UV en el metal de zinc. Observar la respuesta del electroscopio. Luego apague la UV luz.
Ahora, frote la barra otra vez con la piel de cinco a seis veces, para hacer la varilla cargada negativamente. Poner la varilla en contacto directo con la placa de zinc.
Esto resultará en una desviación de la aguja del electroscopio debido a la transferencia de algunas cargas negativas en la placa de zinc. Dejar a un lado la varilla y asegurar para no tocar la placa metálica de cinc con la mano o cualquier otro objeto.
A continuación, encender la lámpara visible y llevarlo cerca del electroscopio y brillar su luz en la placa de zinc. Observar la respuesta del electroscopio.
Colóquese las gafas de protección UV. Retire la placa de vidrio y encender la UV luz y acercar al electroscopio. Brillar la luz UV en el metal de zinc. Observar la respuesta del electroscopio. Luego apague la UV luz.
Permítanos ahora revisará e interpretará los resultados de estos experimentos.
En la primera mitad del experimento donde la varilla cargada y la placa de zinc no están en contacto directo uno con el otro, la aguja permanece desviada para ambos la lámpara regular y para iluminación de luz UV, que indica que la placa de zinc permanece cargada.
Esto ocurre porque la placa de zinc, que ya ha perdido algunos electrones se cargan positivamente, más pierde algunos fotoelectrones cuando la luz UV está en él. Esto sólo hace que la placa de zinc ligeramente más positivamente cargada, desviando la aguja del electroscopio un poco más.
Por el contrario, cuando la barra cargada y la placa de zinc se realicen en contacto entre sí, observamos que utilizando la luz regular no tiene efecto en el electroscopio. Sin embargo, el uso de la lámpara Ultravioleta resulta en la aguja del electroscopio se colapse y volver a la posición sin cargar con ninguna desviación
Esto ocurre porque sólo fotones luz UV tienen suficiente energía que está por encima de la función de trabajo de zinc, para extraer fotoelectrones. Esto descarga la placa de cinc que previamente fue cargada negativamente.
Como en el caso anterior, la luz visible no tiene suficiente energía para excitar fotoelectrones, debido a que la placa de zinc no descarga.
Photoelectronics ha sido estudiado desde hace muchas décadas y ha llevado al desarrollo de nuevos campos de estudio y múltiples aplicaciones.
El efecto fotoeléctrico se ha utilizado para hacer diversos dispositivos optoelectrónicos que han variado usos prácticos. Un ejemplo de un dispositivo optoelectrónico es el interruptor fotosensible.
Aquí, el bloqueo o desbloqueo de un haz de luz brillante en un metal de apagarse o en una corriente eléctrica debido a la ausencia o presencia de fotoelectrones.
Dispositivos de visión nocturna o NVDs también utilice los principios del efecto fotoeléctrico para permitir imágenes que se producirán en los niveles de luz a oscuridad total. Brevemente, fotones golpeando una capa delgada de metal alcalino o el material semiconductor dentro del dispositivo de provocan la expulsión de fotoelectrones debido al efecto fotoeléctrico.
Estos electrones son acelerados por un campo electrostático y multiplicados a través de emisiones secundarias para intensificar la señal original. Luego se hacen los electrones multiplicados huelga una pantalla fósforo-revestida, conversión de los electrones en fotones, formando así una imagen.
Sólo ha visto la introducción de Zeus para el efecto fotoeléctrico. Deben ahora entender los conceptos básicos del efecto fotoeléctrico y también entender por qué metales cargados pueden descargarse solo usando luz de una frecuencia específica. Además, este video demuestra un experimento simple para visualizar el efecto fotoeléctrico usando una placa de zinc cargada metal expuesta a la luz visible y luz ultravioleta. ¡Gracias por ver!
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Results
Para los pasos 2.1-2.4, el electroscopio permanece cargado (aguja siendo devuelta) para la lámpara regular y UV luz iluminación (figura 2b y 2C), que indica que la placa de zinc queda cargada positivamente. Esto es porque la placa de zinc cargada (que ya ha perdido algunos electrones en primer lugar para ser de carga positiva) más fotoelectrones losessome por la luz UV para que sea más cargado positivamente. En enormeescala, itmay sea noticeablethat la aguja del electroscopio desvía un poco más en la figura 2c. El regular no luz visible cambiar las cargas positivas en la placa de cinc y los restos de electroscopio cargados así (figura 2b).
Para los pasos 3.1 a 3.5, cuando la placa de zinc se carga negativamente, se observa que la luz de la lámpara regular otra vez no tiene efecto sobre el electroscopio (figura 3b), mientras que la UV luz hace que la aguja del electroscopio y volver a la posición sin cargar con ninguna desviación,cde la figura 3. Esto es porque solamente los fotones luz UV tienen suficiente energía (por encima de la workfunction de zinc) para extraer fotoelectrones, así que descarga el zinc que ha sido previamente cargado negativo (con electrones de exceso).
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Applications and Summary
En este experimento, nos haveused un electroscopio para demostrar que la luz UV puede descargar un metal de zinc cargada negativamente mediante el efecto fotoeléctrico. Por el contrario, una muestra de zinc cargados positivamente (que ya ha perdido algunos electrones) no puede descargarse, ni descargará una luz visible (que no causa el efecto fotoeléctrico) o zinc cargada negativamente o positivamente.
El efecto fotoeléctrico jugaron papeles importantes en el desarrollo de la física cuántica enel siglo 20 que proporcionó la evidencia experimental que está hecha de partículas que llamamos fotones andcarry quanta de la energía de la luz proporcional a la frecuencia de luz .
Prácticamente, el efecto fotoeléctrico también se ha utilizado para hacer diversos dispositivos optoelectrónicos, como interruptores eléctricos fotosensibles-donde el bloqueo o desbloqueo de un haz de luz brillante en un metal se convierte o desactivar una corriente eléctrica debido a la ausencia o presencia de fotoelectrones. Comúnmente se utiliza en muchos sensores de posición mecánica (por ejemplo apertura o cierre de una puerta que desbloquea o bloquea un haz de luz).
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