Photoeffekt

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.

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.

1. erhalten Sie die benötigten Komponenten für dieses Experiment

1. 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.
2. 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).
3. Legen Sie die Zinkplatte auf und in direktem Kontakt mit der Spitze des Elektroskops (Abbildung 1).
4. 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.
5. 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

1. Reiben Sie den Stab mit der Furfive Zeit. Damit wird den Stab negativ geladen.
2. 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.
3. 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.
4. 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

1. Reiben Sie den Stab mit der Furfive mal wieder. Damit wird den Stab negativ geladen.
2. 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.
3. Die Rute weglegen und tun nicht die Hand oder andere Objekte verwenden, um das Zinkmetall berühren.
4. 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.
5. 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.

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.

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 im^{20. 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).