Overview
출처: 용피 첸 박사, 물리학 및 천문학학과, 과학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, IN
광전 효과는 빛이 빛을 비추면 금속으로부터 전자의 방출을 의미한다. 전자가 금속으로부터 해방되기 위해서는 빛의 주파수가 충분히 높아져서 광자가 충분한 에너지를 가질 수 있도록 해야 한다. 이 에너지는 광 주파수에 비례합니다. 광전 효과는 광자로 알려진 빛의 양자에 대한 실험적 증거를 제공했다.
이 실험은 일반 램프 라이트 또는 더 높은 주파수 및 광자 에너지를 가진 자외선(UV) 빛에 따라 충전된 아연 금속을 사용하여 광전 효과를 입증합니다. 아연 플레이트는 전경과 상대적인 충전량을 읽을 수 있는 기기인 전기스코프에 연결됩니다. 실험은 UV 빛이 일반 램프가 아니라 과도한 전자를 배출하여 음전하 아연을 배출할 수 있음을 보여줍니다. 그러나 어느 광원도 광전 효과로 방출되는 전자가 있다는 사실과 일치하여 양전하 아연을 배출할 수 없습니다.
Principles
금속에는 많은 이동 전자가 포함되어 있습니다. 이 전자를 흥분시키는 것은 상대적으로 쉽고, 충분한 에너지로 흥분하면 금속을 떠날 수 있습니다. 이러한 여기가 빛으로 만들어질 때, 배출된 전자는 광전자로 알려져 있으며, 이 효과는 광전 효과라고합니다. 이를 위해서는 빛의 주파수(f)가 주파수 f와 관련된 일부 최소 임계값(f0)또는 이에 상응하는 광파장(λ)을 초과해야 하는 것으로 관찰되었습니다.
(c ≈ 3x108 m/s가 빛의 속도인 경우) 일부 임계값(λ0)미만이어야 하며, 즉 f > f0(λ < λ0)이필요합니다. 그렇지 않으면 f < f0(λ > λ0)이있는 경우, 강렬한 조명에서도 광전자가 방출되지 않습니다.
알버트 아인슈타인광자의 개념을 사용하여 이러한 관측을 설명 할 수 있었다, 빛의 양자. 빛은 이러한 입자와 같은 광자로 구성되어 있으며 각 광자는 에너지를 가지고 있습니다.
h ≈ 6.63x10-34 Js, 플랑크의 상수 라고, 광자 에너지에 광 주파수를 관련 된.
광전 효과의 현미경 공정은 개별 광자금속에 의해 흡수되고 그 에너지가 전자를 자극하는 데 사용된다는 것입니다. 전자는 광자 에너지의 경우 금속에서 방출되며,
W가 "작업 기능"으로 알려져 금속에서 전자를 해방하는 데 필요한 최소한의 에너지를 나타내는 곳. 면
빛이 강렬하더라도 (광자의 많은 수를 포함) 그리고 빛이 장시간 빛나더라도, 개별 광자가 전자를 해방하기에 충분한 에너지를 가지고 있지 않기 때문에 광전자가 생성되지 않습니다.
아인슈타인의 광전 효과에 대한 설명은 광자 이론(빛의 퀀타)에 대한 핵심 지원을 제공하면서 역사적으로 중요했으며, 이는 빛이 전자파이외에 입자로 동작할 수 있으며 이중 입자파 특성을 지니고 있음을 보여줍니다.
예를 들어, 본 실험에 사용되는 아연(Zn) 금속은 W ≈ 4.3 eV(1eV ≈ 1.6x10-19 J)의 작업 기능을 가지고 있다. 즉, Zn의 광전 효과의 임계값 주파수는 다음과 같습니다.
임계값 파장에 대응하고,
Zn에서 광전자를 생산하려면 광전자가 1015Hz에서 f0 ≈ 또는 300 nm에서 300nm를 ≈ λ0 이하의 파장이 있어야 합니다. 이러한 짧은 파장UV에 해당합니다 (가시광선은 파장을 초과하기 때문에 ~ 400 nm, 보라색 색상에 해당).
전자는 음전하를 전달하므로 광전 효과는 금속에서 음전하를 제거합니다 (효과적으로 양전하를 추가). 금속이 원래 음전하가 되면 충전이 줄어듭니다. 금속이 원래 양전하인 경우, 이것은 더 충전됩니다. 이러한 효과이 실험에서 공부 될 것 이다.
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Procedure
1. 이 실험에 필요한 구성 요소 획득
- 전기스코프(도1)를획득하여 전기스코프에 연결된 금속판의 전하를 모니터링하는 장치입니다. 전하 사이의 쿨롬 반발력으로 인해, 전하 내부의 바늘은 플레이트에 더 많은(이하) 충전이 있는 경우 더 많은(이하) 편향되며, 요금이 부과되지 않으면 움직이지 않습니다.
- 획득 아연 금속 플레이트. 사포를 사용하여 표면을 연마하십시오 (이것은 금속 표면의 산화 아연을 제거하고 광전 효과를 통해 전자를 쉽게 잃을 수 있습니다).
- 아연 플레이트를 전기스코프 의 상단과 직접 접촉하고 배치합니다(도1).
- 300nm 이하의 파장 구성 요소와 가시광선을 제공하는 일반 램프가 있는 UV 광원을 확보하십시오. 자외선 차단 기능이 있는 선글라스를 구하십시오.
- 아크릴 막대와 일반적으로 충전을 생산하는 데 사용되는 모피 조각을 가져옵니다. 막대를 모피로 문지르면 막대에 전자가 추가되어 막대가 음전하됩니다.
도 1: 충전되지 않은(a)및 충전(b)(바늘의편향에 의해 표시) 전기 스코프를 보여주는 다이어그램, 아연 금속 판에 배치및 상단 플레이트에 연결. (b에 대한 청구 된 상황은 예를 들어 긍정적 인 요금에 대해 그려집니다. 음전하 전경에도 유사한 관측이 있습니다.
2. 음하 아연에 대한 광전 효과
- 막대를 furfive 번 문지릅니다. 이렇게 하면 막대가 음전을 올 수 있습니다.
- 막대를 건드리지 않고 아연 플레이트 에 가까이 가져옵니다. 다른 손을 사용하여 아연 플레이트를 잠깐 만지도록 합니다. 이것은 아연 플레이트를 유도를 통해 양호하게 충전됩니다 (음전하 막대는 손에서 아연 금속에 약간의 긍정적 인 전하를 끌어 들이고, 양전한 전하는 손과의 접촉이 제거 된 후 아연 금속에 남아 있습니다). 전기스코프의 바늘은 금속판이 연결된 전기스코프의 모든 부품과 함께 충전되었음을 나타내기 위해 편향되어야한다(도 2a). 필요한 경우 단계2.1 및 2.2를 반복하여 플레이트에 더 많은 충전을 추가합니다.
- 보이는 램프를 켜고 감판(그림2b)에빛을 비추기 위해 전기스코프에 가까이 가져온다. 전기 스코프의 반응을 관찰한다.
- 일반 램프를 끄고 이제 자외선 보호 선글라스를 착용하십시오. UV 광을 켜고 전기 스코프에 가까이 가져. 아연금속(도 2c)에자외선을 비추습니다. 주의: 자외선을 눈에서 멀리 가리키고 자외선으로부터 눈을 보호하는 UV 라이트를 직접 들여다보지 마십시오. 전기 스코프의 반응을 관찰한다. 그런 다음 UV 라이트를 끕니다.
도 2: 다이어그램 표시(a)유도를 통해 음전하 막대에 의해 아연 금속을 양적으로 충전; 및(b)일반 램프 광 및(c)UV 광은 아연의 전하 상태에 미치는 영향을 관찰하기 위해, 그것에 연결된 전기 스코프에 의해 모니터링된다.
3. 양충전 아연에 대한 광전 효과
- 다시 furfive 번 막대를 문질러. 이렇게 하면 막대가 음전을 올 수 있습니다.
- 아연 금속 판과 직접 접촉하는 막대를 가져와 서 접시에 막대를 5 번 문지릅니다. 이것은 전기 스코프(도 3a)의바늘의 편향에 의해 표시된 아연에 일부 음전하를 전달합니다.
- 막대를 버리고 손이나 다른 물체를 사용하여 아연 금속을 만지지 마십시오.
- 일반(보이는) 램프를 켜고 전기스코프에 가까이 가져와 아연 플레이트(그림3b)에빛을 비추십시오. 전기 스코프의 반응을 관찰한다.
- 일반 램프를 끄고 이제 UV 광을 켜고 아연 금속(도 3c)에UV 빛을 비추기 위해 전기 스코프에 가까이 가져. 주의: 자외선을 눈에서 멀리 가리키고 자외선으로부터 눈을 보호하기 위해 자외선을 직접 들여다보지 마십시오. 전기 스코프의 반응을 관찰한다. 그런 다음 UV 라이트를 끕니다.
도 3: 다이어그램 표시(a)직접 접촉을 통해 음전하 막대에 의해 아연 금속을 음수 충전; 및(b)일반 램프 광 및(c)UV 광은 아연의 전하 상태에 미치는 영향을 관찰하기 위해, 그것에 연결된 전기 스코프에 의해 모니터링된다.
광전 효과는 다양한 실용적인 현재 응용 분야를 가지고 뿐만 아니라 완전히 새로운 과학 분야에 영감을 주는 기본적인 물리적 현상입니다.
금속에는 많은 이동 전자가 포함되어 있습니다. 이 전자는 에너지와 함께 제공 될 때 흥분 될 수 있습니다. 그리고, 에너지가 충분히 높으면 전자가 금속에서 흥분 될 수 있습니다.
이러한 여기가 빛으로 만들어질 때, 배출 된 전자는 광전자로 알려져 있으며,이 효과의 이름을 주는 광전 효과.
여기서, 일반 램프 조명과 자외선을 받는 충전된 아연 금속판을 사용하여 광전 효과를 시연할 것입니다.
실험을 수행하고 데이터를 수집하는 방법을 알아보기 전에 이 효과를 제어하는 매개 변수와 원칙에 대해 설명해 보겠습니다. 광전 효과가 발생하기 위해서는 빛의 주파수 'f'가 최소한의 임계값인 'f0'(읽기-f-0)을 초과해야 하는 것으로 관찰되었습니다.
이것이 중요한 이유를 이해하려면 확대하여 현미경 수준에서이 과정을 살펴 보겠습니다. 빛이 금속에 비추면 개별 광광자가 금속의 전자에 의해 흡수됩니다. 지금, 이 전자가 금속에서 풀어 놓기 위하여, 그(것)들은 몇몇 일을 능력을 발휘해야 합니다.
따라서 흡수된 광자 E의 에너지는 특정 금속으로부터 전자를 해방하는 데 필요한 최소한의 에너지 또는 임계값 에너지를 나타내는 금속의 이 '작업 기능' W보다 커야 한다.
이제 광자의 에너지가 빛의 주파수에 직접 비례하기 때문에 임계 에너지는 임계 주파수 f0에 해당합니다.
에너지와 주파수의 관계는 이 방정식에 의해 주어지며, 여기서 'h'는 판자의 상수입니다. 동일한 방정식을 사용하여 임계값 주파수를 계산할 수도 있습니다.
예를 들어, 아연의 작업 기능은 4.3 전자 볼트입니다. 이는 아연에서 발생하는 광전 효과의 임계값 주파수가 10^15 헤르츠로, 300나노미터의 임계값 파장 Λ0에 해당한다. 이러한 짧은 파장은 UV 빛에 해당
광전 효과의 원리를 검토한 결과, 이제 간단한 실험을 통해 이러한 효과를 입증하기 위해 단계별 프로토콜을 살펴보겠습니다.
실험에 필요한 모든 계측기와 재료, 전기스코프, 아연 금속 판, 사포, 300nm 이하의 파장 성분이 있는 UV 소스, 가시광선을 제공하는 일반 램프, 아크릴 막대, 모피 조각 및 UV 보호 안경 한 켤레를 가져옵니다.
첫째, 사포를 사용하여 아연 금속 판의 표면을 연마합니다. 이것은 금속 표면의 산화 아연을 제거하고 전자 전달을 쉽게 합니다. 아연 플레이트를 전기스코프의 금속 판에 놓습니다. 아연 플레이트가 전기 시경과 직접 접촉하고 있는지 확인하십시오.
다음으로, 막대를 5~6번 모피 조각으로 문지르면 막대를 음전하로 만듭니다. 막대를 아연 플레이트 가까이에 가져와 서로 접촉하지 않도록 하십시오.
다른 한편으로 아연 플레이트를 짧게 터치하여 유도를 통해 아연 플레이트를 양적으로 충전합니다. 전기 스코프의 바늘은 금속 판과 그것에 연결된 전기 스코프의 모든 부품이 충전되었음을 나타내기 위해 편향되어야한다.
다음으로, 보이는 램프를 켜고 전기 스코프에 가까이 가져와 아연 플레이트에 빛을 비춥니다. 전기 스코프의 반응을 관찰한다.
이제 일반 램프를 끄고 UV 보호 안경을 착용하십시오. 유리 판을 제거하고 램프를 켜서 UV 광원을 얻고 전기 스코프에 가깝게 놓습니다. 아연 금속에 자외선을 비추는 다. 전기 스코프의 반응을 관찰한다. 그런 다음 UV 라이트를 끕니다.
이제 막대를 5~6번 털로 다시 문질러 막대를 음전하로 만듭니다. 아연 플레이트와 직접 접촉하여 막대를 가져옵니다.
이것은 아연 플레이트에 일부 음전하의 전송으로 인해 전기 스코프의 바늘의 편향을 초래할 것이다. 막대를 버리고 손이나 다른 물체로 아연 금속 판을 만지지 않도록하십시오.
다음으로, 보이는 램프를 켜고 전기 스코프에 가까이 가져와 아연 플레이트에 빛을 비춥니다. 전기 스코프의 반응을 관찰한다.
UV 보호 안경에 착용하십시오. 유리 판을 제거하고 UV 빛을 켜고 전기 스코프에 가까이 가져. 아연 금속에 자외선을 비추는 다. 전기 스코프의 반응을 관찰한다. 그런 다음 UV 라이트를 끕니다.
이제 이러한 실험의 결과를 검토하고 해석해 봅시다.
전차 된 막대와 아연 플레이트가 서로 직접 접촉하지 않는 실험의 전반부에서 바늘은 일반 램프와 UV 광 조명 모두에 대해 편향되어 아연 플레이트가 충전된 상태로 남아 있습니다.
이것은 이미 일부 전자를 잃어 버린 아연 플레이트가 양전하되기 때문에 UV 빛이 빛날 때 일부 광전자를 더 잃기 때문에 발생합니다. 이것은 단지 아연 플레이트를 약간 더 긍정적으로 충전하여 전기 스코프 바늘을 조금 더 편향시합니다.
한편, 충전된 막대와 아연 플레이트가 서로 접촉하게 되면 일반 램프라이트를 사용하는 것은 전기스코프에 영향을 미치지 않는다는 것을 관찰한다. 그러나, UV 램프의 사용은 전기스코프의 바늘이 붕괴되어 굴절 없이 충전되지 않은 위치로 돌아갑니다.
이는 UV 광자만이 아연의 작업 기능 보다 높은 충분한 에너지를 가지고 광전자를 배출하기 때문에 발생합니다. 이것은 이전에 부정적인 충전 된 아연 플레이트를 배출합니다.
이전의 경우와 마찬가지로, 가시광선은 아연 플레이트가 배출되지 않기 때문에 광전자를 자극하기에 충분한 에너지가 없습니다.
포토전자는 수십 년 동안 연구되어 왔으며 새로운 연구 분야와 여러 응용 분야의 개발을 이끌었습니다.
광전 효과는 다양한 실용적인 응용 제품을 가진 다양한 광전자 장치를 만드는 데 사용되었습니다. 광전자 장치의 한 가지 예는 감광성 전기 스위치입니다.
여기서, 금속에 빛나는 광선의 차단 또는 차단 해제는 광전자의 부재 또는 존재로 인해 켜지거나 전류를 켭니다.
야간 투시경 장치 또는 NVD는 광전 효과의 원리를 사용하여 총 어둠에 접근하는 빛의 수준에서 이미지를 생성할 수 있도록 합니다. 간단히 말해서, 광자 내의 알칼리 금속 또는 반도체 재료의 박막에 부딪히는 광전자는 광전 효과로 인해 광전자의 배출을 일으킨다.
이 전자는 정전기 장에 의해 가속되고 원래 신호를 강화하기 위해 이차 방출을 곱합니다. 곱한 전자는 인광 코팅 된 화면을 공격하여 전자를 광자로 다시 변환하여 이미지를 형성합니다.
당신은 단지 광전 효과에 대한 JoVE의 소개를 보았다. 이제 광전 효과의 기본 개념을 이해하고 충전된 금속이 특정 주파수의 빛만 사용하여 배출될 수 있는 이유를 이해해야 합니다. 또한, 이 비디오는 가시광선및 자외선에 노출된 충전아연 금속판을 사용하여 광전 효과를 시각화하는 간단한 실험을 시연하였다. 시청해 주셔서 감사합니다!
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Results
단계 2.1-2.4의 경우, 전기스코프는 일반 램프와 UV 광조명(도 2b 및 2c)에대해 충전된 상태로 남아 있으며 아연 플레이트가 양전하 상태로 남아 있음을 나타냅니다. 이는 충전된 아연 플레이트(이미 양전하되기 위해 처음에 일부 전자를 잃어버렸음)가 UV 광전자에 의해 더 많은 손실로 인해 더욱 긍정적으로 충전되기 때문이다. 이 경우, 전기스코피의 바늘이 도 2c에서조금 더 편향되어 있음을 알 수 있다. 일반 가시광선은 아연 플레이트의 양전하를 변경하지 않으며 전기스코프도 충전된 상태로유지됩니다(도 2b).
단계 3.1-3.5의 경우, 아연 플레이트가 음전하될 때, 일반 램프 라이트가 다시 전기스코프(도 3b)에영향을 미치지 않는 반면, UV 광은 전기스코프의 바늘이 붕괴되어 굴절 없이 충전되지 않은 위치로 돌아가는 것을 관찰할 수있다. 이는 UV 광자만이 광전자를 배출하기에 충분한 에너지(아연의 작업 기능 위)를 가지므로 이전에 는 음수(과잉 전자)로 충전된 아연을 배출하기 때문이다.
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Applications and Summary
이 실험에서, 우리는 UV 빛이 광전 효과를 통해 음전하 아연 금속을 배출 할 수 있음을 보여주기 위해 전기 경전을 사용했다. 대조적으로, 양전하 아연 샘플(이미 일부 전자를 잃어버린) 방전되지 않으며, 가시광선(광전 효과를 유발할 수 없는) 음전 또는 양전하 아연을 배출하지 않습니다.
광전 효과는 광주파에 비례하는 광자 및 광에너지의 양자수반을 운반하는 입자로 빛이 만들어졌다는 실험적 증거를 제공하면서20세기에 양자 물리학의 발전에 중요한 역할을 했습니다.
실질적으로 광전 효과는 광전자의 부재 또는 존재로 인해 금속에 빛나는 광선의 차단 또는 차단 해제가 꺼지거나 전류에 있는 감광성 전기 스위치와 같은 다양한 광전자 장치를 만드는 데사용되었습니다. 이는 일반적으로 많은 기계적 위치 센서(예: 라이트 빔을 차단 해제하거나 차단하는 도어의 개폐)에서 일반적으로 사용됩니다.
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