Overview
מקור: יונג פ. צ'ן, PhD, המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, המכללה למדע, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, IN
אפקט פוטואלקטרי מתייחס לפליטת אלקטרונים ממתכת כאשר אור זורח עליו. על מנת שהאלקטרונים ישוחררו מהמתכת, תדירות האור צריכה להיות גבוהה מספיק כך שלפוטונים באור יש מספיק אנרגיה. אנרגיה זו פרופורציונלית לתדר האור. האפקט הפוטואלקטרי סיפק את הראיות הניסיוניות לקוונטום האור המכונה פוטון.
ניסוי זה מדגים את האפקט הפוטואלקטרי באמצעות מתכת אבץ טעונה הכפופה לאור מנורה רגיל, או אור אולטרה סגול (UV) עם תדירות גבוהה יותר ואנרגיית פוטון. צלחת האבץ תהיה מחוברת אלקטרוסקופ, מכשיר שיכול לקרוא את הנוכחות ואת כמות יחסית של מטענים. הניסוי יוכיח כי אור UV, אך לא המנורה הרגילה, יכול לפרוק את האבץ הטעון שלילית על ידי פליטת האלקטרונים העודפים שלו. אף אחד ממקורות האור, לעומת זאת, לא יכול לפרוק אבץ טעון חיובית, עולה בקנה אחד עם העובדה כי אלקטרונים הנפלטים אפקט פוטואלקטרי.
Principles
מתכת מכילה אלקטרונים ניידים רבים. קל יחסית לרגש אלקטרונים אלה, ואם הם מתרגשים עם מספיק אנרגיה, הם יכולים לעזוב את המתכת. כאשר עירור כזה נעשה עם אור, האלקטרונים שנפלטו ידועים בשם פוטואלקטרון ואפקט זה ידוע בשם האפקט הפוטואלקטרי. נצפתה כי על מנת שזה יקרה, התדירות (ו) של האור חייבת לחרוג מסף מינימלי כלשהו (f0), או שווה ערך, אורך הגל של האור (λ), הקשור לתדירות f על ידי:
(עם c ≈ 3x108 m /s להיות מהירות האור) צריך להיות מתחת לסף כלשהו (λ0),כלומר, f > f0 (λ < λ0). אחרת, אם f < f0 (λ > λ0), לא פוטואלקטרון לא ייפלט אפילו עם תאורת אור אינטנסיבית.
אלברט איינשטיין היה מסוגל להסביר תצפיות אלה באמצעות המושג של פוטונים, quanta של אור. האור מורכב מרבים של פוטונים דמויי חלקיקים כאלה, ולכל פוטון יש אנרגיה:
עם h ≈ 6.63x10-34 Js, הנקרא הקבוע של פלאנק, המקשר את תדר האור לאנרגיית פוטון.
התהליך המיקרוסקופי של האפקט הפוטואלקטרי הוא כי פוטון בודד נספג על ידי המתכת והאנרגיה שלה משמשת כדי לרגש אלקטרון. האלקטרון ייפלט מהמתכת אם אנרגיית הפוטן,
כאשר W מכונה "פונקציית העבודה" ומייצג את האנרגיה המינימלית הדרושה לשחרור האלקטרון מהמתכת. אם
גם אם האור הוא אינטנסיבי (כלומר הוא מכיל מספר רב של פוטונים) וגם אם האור זוהר במשך זמן רב, לא פוטואלקטרון לא יופק שכן הפוטונים בודדים אין מספיק אנרגיה כדי לשחרר אלקטרונים.
ההסבר של איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי היה משמעותי מבחינה היסטורית שכן הוא סיפק תמיכה מרכזית בתיאוריית הפוטונים (קוואנטה של אור), אשר מראה כי האור יכול להתנהג כמו חלקיקים בנוסף לגלים אלקטרומגנטיים, ולהחזיק בטבע גל החלקיקים הכפול.
לדוגמה, אבץ (Zn) מתכת לשימוש בניסוי זה יש פונקציית עבודה של W ≈ 4.3 eV (עם 1 eV ≈ 1.6x10-19 J). משמעות הדבר היא כי תדירות הסף עבור האפקט הפוטואלקטרי עבור Zn יהיה:
מתאים לאורך גל סף,
על מנת לייצר פוטואלקטרון מתוך Zn, האור חייב להיות תדר העולה על f0 ≈ 1015 הרץ, או אורך גל מתחת λ0 ≈ 300 ננומטר. אורך גל קצר כזה מתאים UV (שכן האור הנראה יש אורך גל העולה ~ 400 ננומטר, אשר מתאים צבע סגול).
מכיוון שאלקטרון נושא מטען שלילי, האפקט הפוטואלקטרי יסיר מטענים שליליים ממתכת (למעשה מוסיף לו מטענים חיוביים). אם המתכת נגבית במקור לרעה, זה יהפוך אותה לפחות טעונה. אם המתכת טעונה באופן חיובי במקור, זה יעשה את זה טעון יותר. השפעות כאלה ייחקרו בניסוי זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. להשיג את הרכיבים הדרושים לניסוי זה
- השג אלקטרוסקופ (איור 1), שהוא מכשיר המנטר את המטען על לוח המתכת המחובר לאלקטרוסקופ. בשל כוח הדחייה בין המטענים, המחט בתוך האלקטרוסקופ תסיט יותר (או פחות) אם יש יותר (או פחות) מטענים על הצלחת, ולא תזוז אם אין חיובים.
- להשיג צלחת מתכת אבץ. השתמש בנייר זכוכית כדי ללטש את פני השטח שלו (זה מסיר את תחמוצת האבץ על פני המתכת ומקלה על אובדן אלקטרונים באמצעות האפקט הפוטואלקטרי).
- הניחו את צלחת האבץ על ובקשר ישיר עם החלק העליון של האלקטרוסקופ(איור 1).
- להשיג מקור אור UV, אשר יש רכיב אורך גל מתחת 300nm ומנורה רגילה מתן אור גלוי. להשיג משקפי שמש עם הגנה UV.
- להשיג מוט אקריל וחתיכת פרווה המשמשת בדרך כלל לייצור מטענים. שפשוף המוט עם הפרווה יוסיף אלקטרונים למוט, מה שהופך את המוט טעון שלילית.
איור 1: תרשים המציג אלקטרוסקופ לא טעון (א)וטעון(b)(המצוין על-ידי הסטת המחט), עם לוחית מתכת אבץ מונחת על צלחת העליונה שלה ומחוברת לצלחת העליונה שלה. (המצב הטעון עבור b נמשך עבור חיובים חיוביים כדוגמה. תצפית דומה נכונה לגבי אלקטרוסקופ טעון שלילית.
2. השפעות פוטואלקטריות על אבץ טעון שלילית
- לשפשף את המוט עם הזמנים furfive. זה יגרום המוט טעון שלילית.
- קרב את המוט לצלחת האבץ, מבלי לגעת בו. השתמש ביד אחרת כדי לגעת בקצרה בצלחת האבץ. זה יחייב את צלחת האבץ להיות טעון באופן חיובי באמצעות אינדוקציה (המוט טעון שלילי מושך כמה מטענים חיוביים מהיד על מתכת אבץ, ואת החיובים החיוביים להישאר על מתכת אבץ לאחר המגע שלה עם היד מוסר). המחט של האלקטרוסקופ אמורה להסיט כדי לציין שלוח המתכת, יחד עם כל החלקים באלקטרוסקופ המחובר אליו, טעון (איור 2a). במידת הצורך, חזור על שלבים 2.1 ו- 2.2 כדי להוסיף חיובים נוספים לצלחת.
- הפעל את המנורה הנראית וקרב אותה לאלקטרוסקופ כדי להאיר את אורו על צלחת האבץ(איור 2b). שים לב לתגובה של האלקטרוסקופ.
- כבה את המנורה הרגילה ועכשיו לשים על משקפי שמש הגנה UV. תדליק את אור ה-UV ותקרב אותו לאלקטרוסקופ. הדליקו את אור ה-UV על מתכתהאבץ( איור 2c). אזהרה: כוון את אור ה- UV הרחק מהעיניים והימנע מלהסתכל ישירות אל אור ה- UV כדי להגן על העיניים מפני UV. שים לב לתגובה של האלקטרוסקופ. ואז לכבות את אור UV.
איור 2: תרשים המציג (א) טעינהחיובית של מתכת האבץ באמצעות מוט טעון שלילי באמצעות אינדוקציה; ולהביא (ב)אור מנורה רגיל ו -( ג)אור UV כדי לבחון את השפעותיהם על מצב המטען של האבץ, כפי שמנוטר על ידי האלקטרוסקופ המחובר אליו.
3. השפעות פוטואלקטריות על אבץ טעון חיובי
- לשפשף את המוט עם פעמים furfive שוב. זה יגרום המוט טעון שלילית.
- מביאים את המוט במגע ישיר עם צלחת המתכת אבץ ולשפשף את המוט על הצלחת חמש פעמים. זה יעביר כמה מטענים שליליים על האבץ, המצוין על ידי הסטה של המחט של האלקטרוסקופ (איור 3a).
- הניחו בצד את המוט ואל תשתמשו ביד או בחפצים אחרים כדי לגעת במתכת האבץ.
- הפעל את המנורה הרגילה (הנראית) וקרב אותה לאלקטרוסקופ כדי להאיר את אורו על צלחת האבץ(איור 3b). שים לב לתגובה של האלקטרוסקופ.
- כבה את המנורה הרגילה והדליקו כעת את אור ה-UV וקרבו אותה לאלקטרוסקופ כדי להאיר אור UV על מתכת האבץ(איור 3c). אזהרה:כוון את אור UV הרחק מהעיניים ולהימנע מלהסתכל ישירות לתוך אור UV כדי להגן על העיניים מפני UV. שים לב לתגובה של האלקטרוסקופ. ואז לכבות את אור UV.
איור 3: תרשים המציג (א)טעינה שלילית של מתכת האבץ באמצעות מוט טעון שלילי באמצעות מגע ישיר; ולהביא (ב)אור מנורה רגיל ו -( ג)אור UV כדי לבחון את השפעותיהם על מצב המטען של האבץ, כפי שמנוטר על ידי האלקטרוסקופ המחובר אליו.
האפקט הפוטואלקטרי הוא תופעה פיזית בסיסית שיש לה לא רק מגוון יישומים מעשיים של ימינו, אלא גם עוררה השראה לתחום חדש לגמרי של מדע.
מתכת מכילה אלקטרונים ניידים רבים. אלקטרונים אלה יכולים להתרגש כאשר מסופקים עם אנרגיה. ואם האנרגיה גבוהה מספיק, האלקטרונים יכולים להתרגש מהמתכת.
כאשר עירור כזה נעשה עם אור, האלקטרונים שנפלטו ידועים בשם פוטואלקטרון, נותן אפקט זה את שמו - האפקט הפוטואלקטרי.
כאן, אנו להדגים את האפקט פוטואלקטרי באמצעות צלחת מתכת אבץ טעון כי הוא נתון אור מנורה רגיל ואור אולטרה סגול.
לפני שנלמד כיצד לבצע את הניסוי ולאסוף נתונים, בואו נדון בפרמטרים ובעקרונות השולטים בהשפעה זו. נצפתה כי על מנת שהאפקט הפוטואלקטרי יקרה, התדירות 'f' של האור צריכה לחרוג מסף מינימלי כלשהו 'f0' (קרא- f-zero).
כדי להבין מדוע זה חשוב, בואו נגדיל את התצוגה ונסתכל על התהליך הזה ברמה המיקרוסקופית. כאשר האור זוהר על מתכת, פוטונים אור בודדים נספגים על ידי האלקטרונים במתכת. עכשיו, כדי שהאלקטרונים האלה ישוחררו מהמתכת, הם צריכים לבצע קצת עבודה.
לכן, האנרגיה של פוטון E נספג צריך להיות גדול יותר מאשר זה "פונקציית עבודה" W של המתכת, שבו פונקציית העבודה מייצגת את האנרגיה המינימלית, או אנרגיית סף, הדרושה לשחרור אלקטרון ממתכת ספציפית.
כעת, מכיוון שאנרגיית הפוטן פרופורציונלית ישירות לתדירות האור, אנרגיית הסף תואמת לתדר הסף f0.
הקשר בין אנרגיה לתדירות ניתן על ידי משוואה זו, שבה 'h' הוא הקבוע של הקרש. ניתן להשתמש באותה משוואה גם לחישוב תדירות הסף.
לדוגמה, תפקוד העבודה של אבץ הוא 4.3 אלקטרון וולט. משמעות הדבר היא שתדר הסף של אפקט פוטואלקטרי שיתרחש באבץ יהיה 10^15 הרץ, המתאים לאורך גל סף Λ0 של 300 ננומטר. אורך גל כה קצר מתאים לאור UV
לאחר שבדקנו את העקרונות שמאחורי האפקט הפוטואלקטרי, הבה נעבור כעת על הפרוטוקול שלב אחר שלב כדי להדגים את האפקט הזה באמצעות ניסוי פשוט.
להשיג את כל המכשירים והחומרים הדרושים לניסוי כלומר, אלקטרוסקופ, צלחת מתכת אבץ, חתיכת נייר זכוכית, מקור UV אשר יש מרכיב אורך גל מתחת 300nm, מנורה רגילה מתן אור גלוי, מוט אקרילי, חתיכת פרווה, וזוג משקפי מגן UV.
ראשית, באמצעות נייר זכוכית, ללטש את פני השטח של צלחת מתכת אבץ. זה מסיר את תחמוצת האבץ על פני המתכת ומקלה על העברת אלקטרונים. מניחים את צלחת האבץ על צלחת המתכת של האלקטרוסקופ. ודא כי צלחת האבץ נמצאת במגע ישיר עם האלקטרוסקופ.
לאחר מכן, לשפשף את המוט עם חתיכת פרווה חמש עד שש פעמים, כדי להפוך את המוט טעון שלילית. קרב את המוט לצלחת האבץ וודאו שלא להביא אותם במגע זה עם זה.
באמצעות היד השנייה, לגעת בצלחת אבץ בקצרה, כדי לטעון באופן חיובי את צלחת האבץ באמצעות אינדוקציה. המחט של האלקטרוסקופ צריך להסיט כדי לציין כי צלחת המתכת וכל החלקים באלקטרוסקופ המחובר אליו, טעונים.
לאחר מכן, הפעל את המנורה הנראית וקרב אותה לאלקטרוסקופ והאיר את אורו על צלחת האבץ. שים לב לתגובה של האלקטרוסקופ.
עכשיו, לכבות את המנורה הרגילה ולשים על משקפי מגן UV. הסר את צלחת הזכוכית והדליק את המנורה כדי להשיג מקור אור UV ולהביא אותו קרוב לאלקטרוסקופ. האיר את אור ה-UV על מתכת האבץ. שים לב לתגובה של האלקטרוסקופ. ואז לכבות את אור UV.
עכשיו, לשפשף את המוט שוב עם הפרווה חמש עד שש פעמים, כדי להפוך את המוט טעון שלילית. הביאו את המוט במגע ישיר עם צלחת האבץ.
זה יגרום להסטה של המחט של האלקטרוסקופ עקב העברת כמה מטענים שליליים על צלחת אבץ. הניחו בצד את המוט והקפידו לא לגעת בלוח המתכת אבץ עם היד או כל חפץ אחר.
לאחר מכן, הפעל את המנורה הנראית וקרב אותה לאלקטרוסקופ והאיר את אורו על צלחת האבץ. שים לב לתגובה של האלקטרוסקופ.
לבשו את משקפי ההגנה UV. הסר את צלחת הזכוכית והדליק את אור UV וקרב אותו לאלקטרוסקופ. האיר את אור ה-UV על מתכת האבץ. שים לב לתגובה של האלקטרוסקופ. ואז לכבות את אור UV.
הבה נסקור ונפרש כעת את תוצאות הניסויים הללו.
במחצית הראשונה של הניסוי שבו המוט הטעון וצלחת האבץ אינם במגע ישיר זה עם זה, המחט נשארת מוטה הן עבור המנורה הרגילה והן עבור תאורת אור UV, המציין את צלחת האבץ נשאר טעון.
זה קורה כי צלחת אבץ, שכבר איבד כמה אלקטרונים להיות טעון באופן חיובי, מאבד עוד יותר כמה פוטואלקטרון כאשר אור UV הוא זרח על זה. זה רק עושה את צלחת אבץ קצת יותר חיובי טעון, הסטת מחט האלקטרוסקופ קצת יותר.
מצד שני, כאשר המוט הטעון ואת צלחת האבץ נעשים לבוא במגע אחד עם השני, אנו מבחינים כי באמצעות מנורה רגילה אין השפעה על האלקטרוסקופ. עם זאת, השימוש במנורת UV גורם למחט האלקטרוסקופ לקרוס ולחזור למצב הלא טעון ללא הסטה
זה קורה כי רק פוטונים אור UV יש מספיק אנרגיה כי הוא מעל פונקציית העבודה של אבץ, כדי להוציא photoelectrons. זה משחרר את צלחת האבץ שחויבה בעבר באופן שלילי.
כמו במקרה הקודם, לאור הנראה אין מספיק אנרגיה כדי לרגש פוטואלקטרון, שבגללו צלחת האבץ אינה פולשת.
פוטואלקטרוניקה נחקרת כבר עשרות שנים והובילה לפיתוח תחומי לימוד חדשים ויישומים מרובים.
האפקט הפוטואלקטרי שימש לייצור התקנים אופטואלקטרוניים שונים שיש להם יישומים מעשיים מגוונים. דוגמה אחת למכשיר אופטואלקטרון היא המתג החשמלי הרגיש לאור.
כאן, חסימה או ביטול חסימה של קרן אור זורחת על מתכת מכבה או על זרם חשמלי בשל היעדר או נוכחות של פוטואלקטרון.
מכשירי ראיית לילה או NVDs משתמשים גם בעקרונות האפקט הפוטואלקטרי כדי לאפשר לתמונות להיות מיוצרות ברמות של אור המתקרב לחושך מוחלט. בקצרה, פוטונים להכות סרט דק של מתכת אלקלי או חומר מוליך למחצה בתוך המכשיר לגרום פליטה של photoelectrons בשל האפקט הפוטואלקטרי.
אלקטרונים אלה מואצים על ידי שדה אלקטרוסטטי ומוכפלים באמצעות פליטות משניות כדי להגביר את האות המקורי. לאחר מכן, האלקטרונים המוכפלים מיוצרים כדי להכות במסך מצופה זרחן, להמיר את האלקטרונים בחזרה לפוטונים, ובכך ליצור תמונה.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לאפקט הפוטואלקטרי. עכשיו אתה צריך להבין את המושגים הבסיסיים של האפקט הפוטואלקטרי וגם להבין מדוע מתכות טעונות ניתן לפרוק רק באמצעות אור של תדר מסוים. בנוסף, וידאו זה הדגים ניסוי פשוט כדי לדמיין את האפקט הפוטואלקטרי באמצעות צלחת מתכת אבץ טעון חשוף לאור גלוי ואור UV. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
עבור שלבים 2.1-2.4, האלקטרוסקופ נשאר טעון (המחט נשארת מוסטה) הן עבור המנורה הרגילה והן עבור תאורת אור UV (איור 2b ו- 2c),המציין כי צלחת האבץ נשארת טעונה באופן חיובי. הסיבה לכך היא צלחת אבץ טעון (אשר כבר איבד כמה אלקטרונים מלכתחילה להיות טעון חיובית) עוד לאבד photoelectrons על ידי אור UV כדי להפוך אותו טעון חיובי עוד יותר. בקטגוריה זו, ניתן להבחין במחט האלקטרוסקופ מעט יותר באיור 2c. האור הנראה הרגיל אינו משנה את המטענים החיוביים על צלחת האבץ והאלקטרוסקופ נשאר טעון גם כן(איור 2b).
בשלבים 3.1-3.5, כאשר צלחת האבץ טעונה לרעה, ניתן להבחין כי לאור המנורה הרגיל שוב אין השפעה על האלקטרוסקופ (איור 3b), בעוד שאור ה- UV גורם למחט האלקטרוסקופ להתמוטט ולחזור למצב הלא טעון ללא הסטה, איור 3c. הסיבה לכך היא שרק לפוטונים של אור UV יש מספיק אנרגיה (מעל העבודה של אבץ) כדי להוציא פוטואלקטרונים, ובכך לפרוק את האבץ שנטען בעבר כשלילי (עם אלקטרונים עודפים).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
בניסוי זה, עשינו שימוש באלקטרוסקופ כדי להראות שאור UV יכול לפרוק מתכת אבץ טעונה שלילית דרך האפקט הפוטואלקטרי. לעומת זאת, דגימת אבץ טעונה חיובית (שכבר איבדה כמה אלקטרונים) לא תשוחרר, וגם אור נראה (שאינו יכול לגרום לאפקט הפוטואלקטרי) ישתחרר אבץ שלילי או חיובי.
האפקט הפוטואלקטרי מילא תפקידים חשובים בהתפתחות הפיזיקה הקוונטית במאהה-20, שכן הוא סיפק ראיות ניסיוניות לכך שהאור עשוי מחלקיקים שאנו מכנים פוטונים וקוונטה של אנרגיית האור ביחס לתדר האור.
למעשה, האפקט הפוטואלקטרי שימש גם לייצור התקנים אופטואלקטרוניים שונים, כגון מתגים חשמליים רגישים לאור - שבהם חסימה או ביטול חסימה של קרן אור זורחת על מתכת מכבה או על זרם חשמלי בשל היעדר או נוכחות של פוטואלקטרון. זה נפוץ בחיישנים מכניים רבים (לדוגמה פתיחה או סגירה של דלת שפותחת חסימות או חוסמת קרן אור).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
