Overview
ソース: 龍 p. 陳博士は、物理学科 & & 天文学、科学の大学、パーデュー大学、ウェスト ラファイエット, インディアナ
光電効果は、放射それを metalwhen からの電子の光が輝いています。金属から解放される電子は、光の周波数が光の光子十分なエネルギーを持っているように十分に高くする必要があります。このエネルギーは光の周波数に比例します。光電効果は光子と呼ばれる光の量子の実験証拠を提供します。
この実験デモンストレーションを光電効果のいずれかを受ける荷電亜鉛金属を使用して正規のランプや紫外線 (UV) より高い周波数と光子のエネルギー。亜鉛板は、検電器、プレゼンスと料金の相対的な量を読み取ることができる計測器に接続されます。実験は、UV 光がない規則的なランプがあると、その余分な電子を取り出し、負荷電の亜鉛を放出できるデモンストレーションします。どちらも光源ただし、放出できる事実と矛盾、正荷電の亜鉛光電効果で発生する電子。
Principles
金属には、多くの携帯電話の電子が含まれています。これらの電子を励起する比較的簡単だし、彼らは十分なエネルギーと興奮している、彼らは金属を残すことができます。このような励起光と、放出電子は光電子と呼ばれます、この効果は、光電効果として知られています。それはこれが起こるためには、光の周波数 (f) 必要がありますいくつかの最小しきい値 (f0)、または同等に、によって周波数 f に関連している光の波長 (λ)、超えることが確認されています。
いくつかのしきい値で、(λ0) する必要があります (c ≒ 3 × 10 の8 m/s で光の速度) は、f > f0 (λ < λ0)。、それ以外の場合 f < f0 (λ > λ0)、光電子は強烈な照明があっても出ない。
アルバート ・ アインシュタインが光子、光の量子の概念を用いたこれらの観察を説明することができます。光のような粒子のような光子の多くで構成されています、各光子がエネルギーを持っています。
h ≈ 6.63x10-34 Js、プランクの定数と呼ばれると光子のエネルギーに光周波数を関連します。
光電効果の微視的過程は金属が個々 の光子を吸収し、そのエネルギー電子を励起するために使用します。電子になります金属の場合から光子エネルギーを放出
「仕事関数」として知られているに W、金属から電子を解放するために必要な最小限のエネルギーを表します。もし
光が強い (つまり、光子の数が多い含まれている) 場合でも、長時間光を照らした場合でも、光電子は生成されません個々 の光子は電子を解放するために十分なエネルギーを持っていないので。
アインシュタインの光電効果の説明は、それは光が電磁波としてほかに粒子として動作でき、デュアル粒子波の性質を持っているが表示されます光子 (光の量子)、理論のキーのサポートを提供するように歴史的に重要だった。
たとえば、この実験で使用される亜鉛 (Zn) 金属、仕事関数 W ≒ 4.3 eV (1 eV ≒ 1.6x10-19 J) を持つ。これは亜鉛光電効果の限界周波数がされることを意味します。
しきい値波長に対応します。
Zn から光電子を生成するために光は f0 ≈ を超える周波数を持つ必要があります、1015 Hz または λ0 ≈ 300 以下波長 nm。このような短波長 UV に対応 (可視光は波長を超えるので 〜 400 nm、バイオレット色に対応)。
電子が負電荷を運ぶので、光電効果は (効果的にそれに正電荷を追加する) 金属から負電荷を削除します。金属の荷電はもともと、これは課金を少なくなります。金属が積極的に充電された場合これにより満たされるなります。このような効果にこの実験で検討されます。
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Procedure
1. この実験に必要なコンポーネントを取得します。
- 検電器に接続されている金属板に電荷を監視デバイスは、検電器 (図 1) を取得します。検電器の中に針がより多くの (または少ない) 場合をそらす電荷間のクーロン反発力により、多くの (または少ない) 料は、皿の上、料金がないかどうかは移動しません。
- 得ることができる亜鉛の金属板。(これは金属の表面に酸化亜鉛を削除し、光電効果により電子を失いやすくなります)、その表面を磨くサンドペーパーを使用します。
- 検電器 (図 1) の上部との直接接触では、亜鉛板を配置します。
- 300 nm と可視光を提供する規則的なランプの下の波長成分を持つ UV 光源を取得します。紫外線保護とサングラスを取得します。
- アクリル棒と料金を製作に使われる毛皮の部分を取得します。毛皮とロッドの摩擦は負荷電のロッドを作って棒に電子を追加します。
図 1:中性 (、) と、充電 (b) を示す図 (針の偏向によって示される) 検電器、亜鉛の金属板に配置され、そのトップ プレートに接続されているとします。(例では正電荷の b の充電状況が描かれます。似たような観測は負荷電の検電器に当てはまります。
2. 負荷電亜鉛光電効果
- Furfive 回で棒をこする。これは負荷電の棒を作る。
- それに触れることがなく亜鉛板に近いロッドをもたらします。別の手を使用して、簡単に亜鉛板をタッチします。これは、(負荷電のロッドを引き付けるいくつか肯定的な手との接触を削除後亜鉛金属に残っている亜鉛金属に手から料金と正電荷) 誘導を介して充電する積極的に亜鉛板をお支払いいただきます。検電器の針をそらす必要があります検電器内のすべてのパーツと共に、金属の板を接続されていることを示すには (図 2 a) を充電します。必要な場合は、steps2.1 と 2.2 プレートにより多くの費用を追加するを繰り返します。
- 表示ランプを点灯し、亜鉛板 (図 2 b) にその光を当てるための検電器に近づけます。検電器の応答を観察します。
- 正規のランプの電源を切り、サングラスを保護する UV を今置きます。検電器に近づけると UV 光入れます。亜鉛金属 (図 2 c) に UV 光を当てます。注意: UV 光の目から離れて、UV ライトに直接見て回避ポイントは紫外線から目を保護します。検電器の応答を観察します。その後、オフに UV 光。
図 2:図 (を) 積極的に誘導; 負荷電の棒によって亜鉛金属を充電それに接続されている検電器がモニターしている (b) 正規のランプの光と、亜鉛の電荷に及ぼす影響を観察する紫外線 (c) 状態をもたらします。
3. 正荷電亜鉛光電効果
- 再び furfive 回と棒をこする。これは負荷電の棒を作る。
- 亜鉛の金属板に直接接触してロッドを持参し、5 回プレートのロッドをこする。これは、検電器 (図 3 a) の針の偏向によって示される、亜鉛上にいくつかの負の電荷を転送します。
- ロッドを片付けて、かない亜鉛金属に触れる手、またはその他のオブジェクトを使用します。
- 通常の (表示) のランプを点灯、亜鉛板 (図 3 b) にその光を当てるための検電器に近づけます。検電器の応答を観察します。
- 正規のランプをオフにして UV ライト点灯そして亜鉛金属 (図 3 c) に紫外線を当てるに検電器に近づけます。注意: ポイント紫外線は目から光し、紫外線に直接紫外線から目を保護するために光を見て回避します。検電器の応答を観察します。その後、オフに UV 光。
図 3:図 (を) 否定的; の直接接触を介して負荷電の棒によって亜鉛金属を充電それに接続されている検電器がモニターしている (b) 正規のランプの光と、亜鉛の電荷に及ぼす影響を観察する紫外線 (c) 状態をもたらします。
光電効果は、基本的な物理現象だけでなく現在の日の実用的なアプリケーションのさまざまな、また科学のまったく新しい分野にインスピレーションを与えてきました。
金属には、多くの携帯電話の電子が含まれています。これらの電子は、エネルギー提供すると興奮することができます。そして、金属から電子を励起し、エネルギーが十分に高い場合。
このような励起光と、放出電子は光電子、その名前です-光電効果のこの効果を与えると呼ばれます。
ここでは、通常のランプの光と紫外線を受ける荷電亜鉛金属板を用いた光電効果を示します。
前に実験を行い、データを収集する方法を学ぶ我々 は、パラメーターとこの効果を支配する原理を説明しましょう。それが発生する光電効果の順番は、光の周波数 'f' が 'f0' いくつかの最小限のしきい値を超えることが観察されている (読み取り f 0)。
これが重要な理由を理解するには、ズームインして顕微鏡レベルでこのプロセスを見てみましょう。金属光を照らす、個々 の光の光子は金属中の電子によって吸収されます。今、金属から解放するようにこれらの電子のため、彼らはいくつかの作業を実行しなければなりません。
したがって、E はすべき、仕事関数は、最小のエネルギーを表します、この ' 仕事関数の金属の W より大きい吸収される光子のエネルギーまたはしきい値エネルギー必要特定の金属から電子を解放します。
今、光子のエネルギーは光の周波数に比例なのでしきい値エネルギーはしきい値周波数 f0 に対応します。
エネルギーと周波数の関係は、'h' は、プランクの定数がこの方程式によって与えられます。境界の頻度を計算するため、同じ式を使用もできます。
たとえば、亜鉛の仕事関数は 4.3 電子ボルトであります。つまり亜鉛が発生する光電効果の限界周波数は 10 になります ^15 ヘルツ、300 ナノメートルのしきい値波長 Λ0 に対応します。このような短波長 UV 光に対応します。
今簡単な実験によってこの効果を発揮するステップバイ ステップのプロトコルを通過光電効果の背後にある原理を確認し、お知らせください。
すべての必要な器械および実験すなわち、検電器、亜鉛の金属板、サンドペーパー、UV 保護眼鏡のペア、枚の毛皮、アクリル棒通常ランプの提供する可視光 300 nm 以下の波長成分を持つ紫外光源の部分のための材料を取得します。
まず、亜鉛の金属板の表面を磨くサンドペーパーを使用します。これは金属の表面に酸化亜鉛を削除され、電子伝達が容易になります。検電器の金属板に亜鉛板を配置します。亜鉛板が、検電器との直接接触にあることを確認します。
次に、負荷電のロッドに 5 ~ 6 倍毛皮の部分で棒をこする。互いに接触にそれらを持って来ることを確かめて亜鉛板に近いロッドをもたらします。
他の手を使用して、誘導亜鉛板を積極的に充電に亜鉛板を簡潔をタップします。検電器の針は金属プレートと検電器内のすべてのパーツがそれに接続されていることを示す逸らす必要があります追加料金です。
次に、表示ランプを点灯し、検電器に近づけると亜鉛板にその光を当てます。検電器の応答を観察します。
今、正規のランプをオフにして、UV 保護メガネをつけます。ガラス プレートを削除し、UV 光ソースを取得し、検電器に近づけるのためにランプをオンにします。亜鉛金属に UV 光を当てます。検電器の応答を観察します。その後、オフに UV 光。
今、負荷電のロッドに 5 ~ 6 倍、毛皮で再びロッドをこする。亜鉛板との直接接触でロッドをもたらします。
これは亜鉛板の上にいくつかの負電荷の移転に伴う検電器の針の偏向になります。ロッドを片付けるし、あなたの手またはその他のオブジェクトと亜鉛の金属プレートに触れないようにします。
次に、表示ランプを点灯し、検電器に近づけると亜鉛板にその光を当てます。検電器の応答を観察します。
UV 保護メガネに置きます。ガラス プレートを取り外し、UV 光入れます検電器に近づけます。亜鉛金属に UV 光を当てます。検電器の応答を観察します。その後、オフに UV 光。
お知らせ今確認し、これらの実験の結果を解釈します。
帯電ロッドと亜鉛板が互いに直接接触しない、実験の最初の半分で針の両方通常ランプの UV 光照射、亜鉛板まま充電を示す偏向ままです。
これは、UV 光が照らされてと、すでに積極的に充電になるにいくつかの電子を失ってしまった、亜鉛板はいくつかの光電子をさらに失われるために発生します。これだけ偏向検電器針、もう少しもう少し正荷電、亜鉛板になります。
その一方で、互いと接触する帯電ロッドと亜鉛板が行われると、正規の灯火を使用して影響を与えません検電器に遵守しています。ただし、UV ランプの使用すると崩壊してないのたわみを中性の位置に戻る検電器の針、
これは、UV 光の光子のみ光電子を取り出すに亜鉛の仕事関数上にあるに十分なエネルギーを持っているのでに発生します。これは、負に帯電した亜鉛板を放電します。
前の例のように、可視光は亜鉛板を放出しないために光電子を励起するために十分なエネルギーを必要はありません。
フォトエレクトロニクス今多くの長年に渡って研究されている、研究、複数のアプリケーションの新しい分野の開発につながっています。
光電効果は、さまざまな実用的なアプリケーションがあるさまざまな光デバイスに使用されています。光電相互変換デバイスの 1 つの例は、感光性の電気スイッチです。
ここでは、ブロックまたは金属製輝く光ビームのブロック解除がオフまたは光電子の有無による電流。
ナイト ビジョン デバイスや NVDs は、真っ暗闇の中を近づいて光のレベルで生産するのに画像を許可するのに光電効果の原則を使用します。簡単に言えば、アルカリ金属またはデバイス内の半導体材料の薄膜を打つ光子は光電効果により光電子の放出を引き起こします。
これらの電子の電界によって加速し、元の信号を強化する二次排出量を介しています。掛けた電子に変換する電子を光子、画像を形成するため、蛍光スクリーンをストライクになります。
光電効果のゼウスの概要を見てきただけ。今光電効果の基本的な概念を理解し、また荷電金属が排出ことができる唯一の特定の周波数の光を使用してなぜ、理解してください。さらに、このビデオでは、可視光や紫外線にさらされる荷電亜鉛金属板を用いた光電効果を視覚化するための簡単な実験を説明しました。見てくれてありがとう!
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Results
手順 2.1 2.4、検電器のまま充電 (針まま偏向) 通常のランプと紫外線の両方光照明 (図 2 b および 2 c) 亜鉛板が正荷電であるを示します。これは、充電された亜鉛板 (これはすでにいくつかの電子最初の場所でに失った正に帯電する) さらに正荷電に紫外光による losessome 光電子をさらに。この場合、noticeablethat 検電器の針を図 2cのビットをさらに偏向があるだろう。通常の可視光は亜鉛板と充電だけでなく (図 2b) 検電器遺体正電荷を変更します。
ステップ 3.1 から 3.5 の亜鉛板が負の電荷をとき、それが観察できる、正規のランプの光再び影響を与えません検電器 (図 3b) の UV しながら光は崩壊してないのたわみ、図 3cを中性の位置に戻る検電器の針を引き起こします。UV 光の光子のみしたがって、光電子を取り出す (亜鉛の仕事関数) の上に十分なエネルギーを持っているのでこれは以前 (過剰電子) と否定的なことに起訴されている亜鉛を排出します。
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Applications and Summary
この実験で我々 ユーザーデータファイルを UV ライトにその検電器光電効果により負に帯電亜鉛金属を放電することができます。対照的に、(これはすでにいくつかの電子を失ってしまった) 正荷電の亜鉛サンプルは排出されません、またどちらか否定的または肯定的に充電された亜鉛は、放電可視光 (これは光電効果を引き起こすことはできません)。
光電効果は、光は光周波数に比例する粒子と呼んで光子光のエネルギーの量子を鮮度の作られてことの実験的証拠を提供として 20 世紀の量子物理学の開発の重要な役割を果たした。
実質的に、この光電効果は感光性の電気スイッチなどさまざまな光デバイスを作るに使用されています-がブロックまたは金属製輝く光ビームの邪魔を除くに光電子の有無による電流をオンまたはオフします。これは、多くの機械位置センサー (たとえばかっこまたはブロックを解除またはブロックの光ビームをドアの右) で使用されます。
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