Overview
Quelle: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics & & Astronomie, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Photoelektrische Effekt bezieht sich auf die Emission von Elektronen aus einem Metalwhen Licht darauf scheint. Damit die Elektronen aus dem Metall befreit zu werden muss die Frequenz des Lichtes hoch genug sein, so dass die Photonen im Licht genügend Energie haben. Diese Energie ist proportional zu der Lichtfrequenz. Der photoelektrische Effekt versehen der experimentelle Nachweis für das Quantum des Lichtes, die Photonen nennt.
Dieses Experiment wird der photoelektrische Effekt mit einem aufgeladenen Zinkmetall unterliegen entweder eine normale Lampe oder ultravioletten (UV) Licht mit höherer Frequenz und Photonen-Energie zeigen. Die Zinkplatte wird an eine Elektroskops ein Instrument angeschlossen werden, die das Vorhandensein und die relative Höhe der Gebühren lesen kann. Das Experiment zeigt, dass das UV-Licht, aber nicht die normale Lampe, die negativ geladene Zink entladen kann durch seine überschüssigen Elektronen auswerfen. Weder Lichtquelle kann jedoch Entlastung positiv geladenen Zink, Einklang mit der Tatsache, dass Elektronen, die in photoelektrischen Effekt emittiert werden.
Principles
Eine Metall enthält viele beweglichen Elektronen. Es ist relativ einfach, diese Elektronen zu begeistern, und wenn sie mit genügend Energie aufgeregt sind, lassen sie das Metall. Wenn solch eine Anregung mit Licht gemacht wird, nennt man die ausgeworfenen Elektronen Photoelektronen und dieser Effekt ist bekannt als der photoelektrische Effekt. Es wurde beobachtet, dass in damit dies geschehen kann, die Frequenz (f) des Lichtes überschreiten darf, einige minimale Schwelle (f0), oder gleichwertig, die Wellenlänge des Lichts (λ), bezogen auf die Frequenz f von:
(mit c ≈ 3 x 108 m/s wird die Geschwindigkeit des Lichts) muss unter einen Schwellenwert (λ-0), d. h. f > f0 (λ < λ0). Andernfalls, wenn f < f0 (λ > λ0), keine Photoelektronen werden auch bei intensiver Beleuchtung abgegeben werden.
Albert Einstein war in der Lage, diese Beobachtungen mit dem Konzept der Photonen, die Lichtquanten zu erklären. Licht besteht aus vielen solcher Teilchen wie Photonen, und jedes Photon hat Energie:
mit h ≈ 6.63x10-34 Js, genannt Plancksche Konstante betrifft die Photonenenergie die Lichtfrequenz.
Das mikroskopische Verfahren des photoelektrischen Effekts ist, dass eine einzelne Photon vom Metall absorbiert wird und seine Energie verwendet wird, um ein Elektron zu begeistern. Die Elektronen werden aus dem Metall If die Photonen-Energie emittiert
wo W ist bekannt als die "Arbeitsfunktion" und stellt die minimale Energie benötigt, um die Elektronen aus dem Metall zu befreien. If,
auch wenn das Licht intensiv ist (d. h. es enthält eine große Anzahl von Photonen) und selbst wenn das Licht für eine lange Zeit schien ist, werden keine Photoelektronen hergestellt werden, da die einzelnen Photonen nicht ausreichend Energie, um Elektronen zu befreien.
Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts wurde historisch bedeutsamen, wie es die Theorie der Photonen (Lichtquanten), was zeigt, dass Licht als Teilchen zusätzlich als elektromagnetische Wellen Verhalten und zwei Teilchen-Welle Natur besitzen kann, Schlüsselunterstützung vorgesehen.
(Zn) Zinkmetall in diesem Experiment verwendet werden hat beispielsweise eine Austrittsarbeit W ≈ 4,3 eV (mit 1 eV ≈ 1.6x10-19 J). Dies bedeutet, dass die Grenzfrequenz für den photoelektrischen Effekt für Zn sein wird:
entsprechend einer Wellenlänge von Schwelle,
Um Photoelektronen aus Zn zu produzieren, muss Licht eine Frequenz von mehr als f0 ≈ 1015 Hz bzw. einer Wellenlänge unterhalb λ0 ≈ 300 nm. Eine kurze Wellenlänge entspricht UV (da das sichtbare Licht eine Wellenlänge von mehr als hat ~ 400 nm, die violette Farbe entspricht).
Da ein Elektron eine negative Ladung trägt, wird der photoelektrische Effekt negative Ladungen von einem Metall (effektiv hinzufügen positive Ladungen) entfernen. Wenn das Metall ursprünglich negativ geladen ist, wird dies machen es weniger belastet. Wenn das Metall ursprünglich positiv geladen ist, machen dies es mehr in Rechnung gestellt. Solche Effekte werden in diesem Experiment untersucht werden.
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Procedure
1. erhalten Sie die benötigten Komponenten für dieses Experiment
- Erhalten eines Elektroskops (Abbildung 1), der eine Vorrichtung ist, die die Ladung auf der Metallplatte des Elektroskops verbunden überwacht. Aufgrund der Coulomb-Abstoßung zwischen den Ladungen, wird die Nadel innerhalb des Elektroskops abzulenken mehr (oder weniger), wenn auf der Platte gibt es mehr (oder weniger) Kosten und wird nicht verschoben, wenn es fallen keine Gebühren an.
- Man Zink Metallplatte. Verwenden Sie Schleifpapier polieren die Oberfläche (Dies entfernt das Zinkoxid auf der Metalloberfläche und erleichtert die Elektronen durch den photoelektrischen Effekt zu verlieren).
- Legen Sie die Zinkplatte auf und in direktem Kontakt mit der Spitze des Elektroskops (Abbildung 1).
- Erhalten Sie eine UV-Lichtquelle, die eine Wellenlänge-Komponente unter 300nm und eine normale Lampe mit sichtbarem Licht hat. Erhalten Sie eine Sonnenbrille mit UV-Schutz.
- Erhalten Sie eine Acryl-Stab und ein Stück Fell häufig verwendet, um Kosten zu produzieren. Rieb den Stab mit dem Fell wird die Rute, machen den Stab negativ geladene Elektronen hinzufügen.
Abbildung 1 : Das Diagramm zeigt eine ungeladene (ein) und einen geladenen (b) (angezeigt durch die Auslenkung der Nadel) Elektroskops mit einer Zink Metallplatte auf und an der oberen Platte angeschlossen. (Die aufgeladene Situation für b ist als Beispiel für positive Ladungen gezeichnet. Eine ähnliche Beobachtung gilt auch für negativ geladenen Elektroskops.
(2) photoelektrische Effekte auf negativ geladenen Zink
- Reiben Sie den Stab mit der Furfive Zeit. Damit wird den Stab negativ geladen.
- Bringen Sie den Stab in der Nähe der Zinkplatte, ohne es zu berühren. Verwenden Sie eine andere Hand, um die Zinkplatte kurz zu berühren. Das Berechnen der Zinkplatte positiv durch Induktion aufgeladen werden (der negativ geladene Stab zieht einige positive, dass Gebühren aus der Hand auf das Zinkmetall und die positiven Ladungen auf dem Zinkmetall bleiben, nachdem der Kontakt mit der Hand entfernt ist). Die Nadel des Elektroskops ablenken sollte darauf hingewiesen, dass die Metallplatte, zusammen mit allen Teilen in der Elektroskops mit ihm verbunden ist (Abbildung 2a) berechnet. Falls nötig, wiederholen Sie steps2.1 und 2.2 die Platte mehr Gebühren hinzu.
- Schalten Sie die Lampe sichtbar und bringen Sie es in der Nähe des Elektroskops, ihr Licht auf die Zinkplatte (Abb. 2 b) zu werfen. Beobachten Sie die Reaktion des Elektroskops.
- Schalten Sie die normale Lampe und setzen Sie jetzt auf den UV-Schutz Sonnenbrille. Schalten Sie das UV Licht und bringen Sie es in der Nähe des Elektroskops. Das UV-Licht auf das Zinkmetall (Abbildung 2 c) leuchten. Achtung: Punkt der UV-Licht weg von den Augen und vermeiden Sie es, direkt in das UV-Licht schützen die Augen vor UV-Strahlung. Beobachten Sie die Reaktion des Elektroskops. Dann schalten Sie die UV Licht.
Abbildung 2 : Diagramm zeigt (ein) positiv Aufladen das Zinkmetall durch den negativ geladenen Stab durch Induktion; und (b) regelmäßige Lampe Licht und (c) UV-Licht zu beobachten, deren Auswirkungen auf die Ladung Status des Zinks, bringen, da durch die damit verbundenen Elektroskops überwacht.
(3) photoelektrische Effekte auf positiv geladenen Zink
- Reiben Sie den Stab mit der Furfive mal wieder. Damit wird den Stab negativ geladen.
- Bringen Sie die Rute in direktem Kontakt mit der Metallplatte Zink und reiben Sie die Rute auf dem Teller fünfmal. Dadurch werden einige negativen Ladungen auf dem Zink, angezeigt durch die Auslenkung der Nadel des Elektroskops (Abbildung 3a) übertragen.
- Die Rute weglegen und tun nicht die Hand oder andere Objekte verwenden, um das Zinkmetall berühren.
- Schalten Sie die regelmäßige (sichtbar) Lampe und bringen Sie es in der Nähe des Elektroskops, ihr Licht werfen auf die Zinkplatte (Abb. 3 b). Beobachten Sie die Reaktion des Elektroskops.
- Schalten Sie die normale Lampe jetzt schalten Sie das UV-Licht ein und bringen Sie es in der Nähe des Elektroskops, UV-Licht auf das Zinkmetall (Abb. 3 c) glänzen. Vorsicht: Punkt der UV Licht weg von den Augen und ein direkter Blick in das UV Licht zum Schutz der Augen vor UV-Strahlung vermeiden. Beobachten Sie die Reaktion des Elektroskops. Dann schalten Sie die UV Licht.
Abbildung 3 : Diagramm zeigt (ein) negativ Aufladung der Zinkmetall durch den negativ geladenen Stab durch direkten Kontakt; und (b) regelmäßige Lampe Licht und (c) UV-Licht zu beobachten, deren Auswirkungen auf die Ladung Status des Zinks, bringen, da durch die damit verbundenen Elektroskops überwacht.
Der photoelektrische Effekt ist ein grundlegendes physikalisches Phänomen, das nicht nur verfügt über eine Vielzahl von praktischen Anwendungen der heutigen, sondern hat auch ein ganz neues Feld der Wissenschaft inspiriert.
Eine Metall enthält viele beweglichen Elektronen. Diese Elektronen können angeregt werden, wenn mit Energie versorgt. Und wenn die Energie hoch genug ist, können die Elektronen aus dem Metall begeistert sein.
Wenn solch eine Anregung mit Licht erfolgt, werden die ausgeworfenen Elektronen als Photoelektronen, geben diesen Effekt seinen Namen - den photoelektrischen Effekt bezeichnet.
Hier zeigen wir den photoelektrischen Effekt mit einer geladenen Zink Metallplatte, die normale Lampe Licht und UV-Licht ausgesetzt ist.
Bevor wir lernen, wie man das Experiment und sammeln von Daten durchführen, sprechen wir über die Parameter und Prinzipien, die diesen Effekt zu bestimmen. Es wurde beobachtet, dass für den photoelektrischen Effekt zu passieren, die Frequenz "f" des Lichts einige minimale Schwelle "f0 muss" (Read-f-Zero).
Um zu verstehen, warum dies wichtig ist, lassen Sie uns vergrößern und werfen Sie einen Blick auf diesen Prozess auf mikroskopischer Ebene. Wenn das Licht auf ein Metall schien, individuelle Licht Photonen die Elektronen im Metall absorbiert. Sie müssen jetzt in Reihenfolge für diese Elektronen Version aus Metall sein, einige Arbeit zu verrichten.
Daher erforderlich, die Energie des absorbierten Photons E sollte größer sein als diese "Arbeit Funktion" W des Metalls, wo die Austrittsarbeit stellt die minimale Energie oder Schwelle Energie, um ein Elektron aus einem speziellen Metall zu befreien.
Nun da die Energie des Photons direkt proportional zur Frequenz des Lichtes ist, entspricht die Schwelle Energie die Schwelle Frequenz f0.
Die Beziehung zwischen Energie und Frequenz ist durch diese Gleichung gegeben wo ist 'h' der Plank Konstante. Derselben Gleichung kann auch verwendet werden, um die Schwelle Frequenz zu berechnen.
Beispielsweise ist die Austrittsarbeit Zink 4,3 Elektronenvolt. Das bedeutet, die Grenzfrequenz für photoelektrischen Effekt bei Zink auf 10 ^ 15 Hertz, eine Schwelle Wellenlänge Λ0 300 Nanometer entspricht. Eine kurze Wellenlänge entspricht, UV-Licht
Nach der Überprüfung der Prinzipien, die hinter den photoelektrischen Effekt, lassen Sie uns nun über das Schritt für Schritt Protokoll dieser Effekt durch ein einfaches Experiment demonstrieren gehen.
Erhalten Sie alle notwendigen Instrumente und Materialien für das Experiment nämlich eines Elektroskops, eine Metallplatte Zink ein Stück Sandpapier, eine UV-Quelle, die eine Wellenlänge-Komponente unter 300nm, eine normale Lampe für sichtbares Licht, eine Acryl-Stab, ein Stück Fell und eine Brille UV Schutz verfügt.
Erstens mit dem Sandpapier, die Zink Metallplatte Oberfläche polieren. Dies entfernt das Zinkoxid auf der Metalloberfläche und Elektronentransfer erleichtert. Platzieren Sie die Zinkplatte auf der Metallplatte des Elektroskops. Stellen Sie sicher, dass die Zinkplatte in direktem Kontakt mit der Elektroskops ist.
Als nächstes reiben Sie die Rute mit dem Stück Fell fünf-bis sechsmal um den negativ geladenen Stab zu machen. Bringen Sie den Stab in der Nähe der Zinkplatte sicherstellen, dass Sie nicht miteinander in Kontakt bringen.
Mit der anderen Hand berühren Sie die Zinkplatte kurz, positiv die Zinkplatte durch Induktion aufladen. Die Nadel des Elektroskops sollte abzulenken, um anzugeben, dass die Metallplatte und alle Teile des Elektroskops mit ihm verbunden werden in Rechnung gestellt.
Als nächstes schalten Sie die Lampe sichtbar und bringen Sie es in der Nähe des Elektroskops und strahlen Sie ihr Licht auf die Zinkplatte. Beobachten Sie die Reaktion des Elektroskops.
Nun schalten Sie die normale Lampe und UV-Schutzbrille aufsetzen. Entfernen Sie die Glasplatte und schalten Sie die Lampe zu erhalten eine UV-Lichtquelle und bringen Sie es in der Nähe des Elektroskops. Leuchten Sie das UV-Licht auf die Zinkmetall. Beobachten Sie die Reaktion des Elektroskops. Dann schalten Sie die UV Licht.
Jetzt, reiben Sie die Rute wieder mit dem Fell fünf-bis sechsmal um den negativ geladenen Stab zu machen. Bringen Sie die Rute in direktem Kontakt mit der Zinkplatte.
Dies führt zu einer Auslenkung der Nadel des Elektroskops durch die Übertragung von einigen negativen Ladungen auf der Zinkplatte. Legen Sie die Rute Weg und gewährleisten Sie die Zink Metallplatte mit der Hand oder einem anderen Objekt nicht berühren.
Als nächstes schalten Sie die Lampe sichtbar und bringen Sie es in der Nähe des Elektroskops und strahlen Sie ihr Licht auf die Zinkplatte. Beobachten Sie die Reaktion des Elektroskops.
Die UV-Schutzbrille aufsetzen. Entfernen Sie die Glasplatte und schalten Sie das UV Licht und bringen Sie es in der Nähe des Elektroskops. Leuchten Sie das UV-Licht auf die Zinkmetall. Beobachten Sie die Reaktion des Elektroskops. Dann schalten Sie die UV Licht.
Lassen Sie uns nun überprüfen Sie und interpretieren Sie die Ergebnisse dieser Experimente.
In der ersten Hälfte des Experiments, wo der geladenen Stab und die Zinkplatte nicht in direktem Kontakt miteinander stehen, bleibt die Nadel ausgelenkten für beide die normale Lampe und UV Beleuchtung, darauf hinweist, dass die Zinkplatte aufgeladen bleibt.
Dies tritt auf, weil die Zinkplatte, die bereits einige Elektronen zur positiven Ladung verloren hat, weiter einige Photoelektronen verliert, wenn das UV-Licht ist es schien. Dies ist nur etwas mehr positiv geladene Zinkplatte Ablenkung des Elektroskops Nadel ein wenig mehr.
Auf der anderen Seite, wenn die geladenen Stab und die Zinkplatte vorgenommen werden, miteinander in Kontakt zu kommen, beobachten wir mit regelmäßigen Lampenlicht hat keinen Einfluss auf die Elektroskops. Allerdings führt die Verwendung der UV-Lampe in die Nadel des Elektroskops zusammenbrechen und die ungeladenen Position mit keine Ablenkung
Dies tritt auf, weil nur UV Licht Photonen genügend Energie haben, die über die Austrittsarbeit Zink Photoelektronen ausgeworfen wird. Dies entlastet die Zinkplatte, die zuvor negativ geladen wurde.
Wie im vorherigen Fall muss sichtbares Licht nicht genug Energie, um Photoelektronen, begeistern, aufgrund, die derer die Zinkplatte nicht entladen wird.
Optoelektronik ist seit vielen Jahrzehnten untersucht worden und führte zur Entwicklung der neuen Fachrichtungen und mehrere Anwendungen.
Der photoelektrische Effekt wurde zur verschiedenen optoelektronischen Geräten machen, die praktische Anwendungen unterschieden haben. Ein Beispiel für eine optoelektronische Gerät ist der lichtempfindliche elektrischer Schalter.
Hier die Blockierung oder Freigabe eines Lichtstrahls auf einem Metall glänzend schaltet sich aus oder auf ein elektrischer Strom durch das Fehlen oder Vorhandensein von Photoelektronen.
Nachtsichtgeräte oder NVDs auch verwenden die Grundsätze des photoelektrischen Effekts, um Bilder in Ebenen des Lichts nähert sich völliger Dunkelheit produziert werden können. Kurz, dazu führen, dass Photonen, die Kollision mit eines dünnen Wasserfilm Alkalimetall oder Halbleiter-Material im Inneren des Gerätes das Auswerfen der Photoelektronen durch den photoelektrischen Effekt.
Diese Elektronen werden durch ein elektrostatisches Feld beschleunigt und multipliziert durch Sekundäremissionen, das ursprüngliche Signal zu verstärken. Die vervielfachten Elektronen erfolgt dann eine Phosphor beschichteten Leinwand, Umwandlung der Elektronen in Photonen, wodurch ein Bild zurück zu schlagen.
Sie habe nur Jupiters Einführung in den photoelektrischen Effekt beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen die grundlegenden Konzepte des photoelektrischen Effekts und auch verstehen warum aufgeladene Metallen entlassen werden können, nur mit Licht einer bestimmten Frequenz. Dieses Video demonstriert darüber hinaus ein einfaches Experiment zur Visualisierung der photoelektrische Effekt mit einer geladenen Zink Metallplatte sichtbares Licht und UV-Licht ausgesetzt. Danke fürs Zuschauen!
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Results
Für Schritte 2.1-2.4, bleibt die Elektroskops geladen (Nadel bleiben abgelenkten) für die regelmäßige Lampe und UV-Licht Beleuchtung (Abbildung 2 b und 2 c), darauf hinweist, dass die Zinkplatte positiv geladenen bleibt. Dies liegt daran, die geladenen Zinkplatte (was bereits einige Elektronen in erster Linie verloren hat, positiv geladen werden) weitere Losessome Photoelektronen durch das UV-Licht zu machen, weiter positiv geladen. Im Zielmaterial sein Itmay, Noticeablethat die Nadel des Elektroskops lenkt ein bisschen weiter in Abbildung 2c. Der regelmäßige sichtbare Licht Doesnot ändern die positiven Ladungen auf der Zinkplatte und des Elektroskops bleibt sowie (Abbildung 2b) in Rechnung gestellt.
Für Schritte 3.1-3.5, wenn die Zinkplatte negativ geladen ist, kann festgestellt werden, dass die normale Lampe Licht wieder hat keinen Einfluss auf die Elektroskops (Abbildung 3b), während das UV Licht bewirkt, dass die Nadel des Elektroskops zu reduzieren und in der ungeladenen Position mit keine Ablenkung, Abbildung 3czurück. Deshalb, weil nur die UV-Licht-Photonen genügend Energie (über die niedrigung der Zink) Photoelektronen, so ausgeworfen müssen, das Zink zu entladen, die zuvor aufgeladen wurde (mit überschüssigen Elektronen) negativ sein.
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Applications and Summary
In diesem Experiment wir Haveused eines Elektroskops zu zeigen, dass UV-Licht kann Entlastung eine negativ geladenes Zinkmetall durch den photoelektrischen Effekt. Im Gegensatz dazu eine positiv geladene Zink-Probe (was bereits einige Elektronen verloren hat) wird nicht entladen werden, noch entlädt ein sichtbares Licht (die den photoelektrischen Effekt verursachen kann) entweder negativ oder positiv geladenen Zink.
Der photoelektrische Effekt spielten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Quantenphysik im20. Jahrhundert als es experimentelle Beweise, dass Licht von Teilchen erfolgt, die wir Photonen Andcarry Quanten der Lichtenergie nennen proportional zur Lichtfrequenz .
Praktisch, der photoelektrische Effekt wurde auch verwendet, um verschiedene optoelektronische Geräte wie lichtempfindliche elektrische Schalter machen-wo die Blockierung oder Freigabe eines Lichtstrahls scheint auf einem Metall dreht sich ein elektrischer Strom durch das Fehlen oder Vorhandensein von Photoelektronen ein- oder ausschalten. Dies wird häufig verwendet, in vielen mechanischen-Positionssensoren (z. B. Öffnen oder Schließen einer Tür, die entsperrt oder blockiert einen Lichtstrahl).
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