Effet photoélectrique

Source : Département de physique de Yong P. Chen, PhD, & & astronomie, Faculté des sciences, Université de Purdue, West Lafayette, Indiana

Effet photoélectrique désigne l’émission d’électrons par une metalwhen lumière brille sur elle. Afin que les électrons d’être libérés du métal, la fréquence de la lumière doit être suffisamment élevée tels que les photons dans la lumière ont une énergie suffisante. Cette énergie est proportionnelle à la fréquence de la lumière. L’effet photoélectrique a fourni la preuve expérimentale pour le quantum de lumière qui est appelée photon.

Cette expérience démontrera l’effet photoélectrique en utilisant un métal zinc chargée sous réserve soit une lampe ordinaire, ou la lumière ultraviolette (UV) avec une fréquence plus élevée et l’énergie des photons. La plaque de zinc sera reliée à un électroscope, un instrument qui peut lire la présence et la quantité relative de charges. L’expérience démontrera que la lumière UV, mais pas la lampe ordinaire, peut s’acquitter le zinc chargé négativement par éjecter les électrons en excès. Aucune source de lumière, cependant, peut s’acquitter de zinc chargée positivement, compatible avec le fait que les électrons qui sont émises dans l’effet photoélectrique.

Un métal contient de nombreux électrons mobiles. Il est relativement facile exciter ces électrons, et si ils sont excités avec assez d’énergie, ils peuvent laisser le métal. Lorsqu’une telle excitation est faite avec de la lumière, les électrons éjectés sont appelés des photoélectrons et cet effet est connu comme l’effet photoélectrique. Il a été observé que, afin que cela se produise, la fréquence (f) de la lumière doit dépasser un seuil minimal (f,₀), ou manière équivalente, la lumière longueur d’onde (λ), qui est liée à la fréquence f par :

(avec c ≈ 3 x 10⁸ m/s est la vitesse de la lumière) doit être inférieure à un seuil (λ,₀), autrement dit, f > f₀ (λ < λ₀). Sinon, si f < f₀ (λ > λ,₀), aucun photoélectrons ne retentit même avec un éclairage lumière intense.

Albert Einstein a été en mesure d’expliquer ces observations en utilisant le concept de photons, les quanta de lumière. Lumière se compose d’un grand nombre de ces photons particules ressemblant, et chaque photon a une énergie :

avec h ≈ 6.63x10^-34 Js, appelée constante de Planck, qui a trait à la fréquence de la lumière à l’énergie des photons.

Le processus microscopique de l’effet photoélectrique est qu’un photon individuel est absorbé par le métal et son énergie sert à exciter un électron. L’électron sera émis par le métal if l’énergie du photon,

où W est connue comme la « fonction de travail » et représente l’énergie minimale nécessaire pour libérer l’électron du métal. If,

même si la lumière est intense (ce qui signifie qu’il contient un grand nombre de photons), même si la lumière est a brillé pendant une longue période, aucune photoélectrons ne se produiront les photons individuels n’ayant pas suffisamment d’énergie pour libérer des électrons.

Explication d’Einstein de l’effet photoélectrique était historiquement importante, car il prévoyait bénéficie du soutien de la théorie des photons (quanta de lumière), qui montre que la lumière peut se comportent comme des particules aux ondes électromagnétiques et possèdent la nature de l’onde-particule double.

Par exemple, le métal zinc (Zn) utilisé dans cette expérience a une fonction de travail de W ≈ 4,3 eV (avec eV 1 ≈ 1.6x10^-19 J). Cela signifie que la fréquence de seuil pour l’effet photoélectrique pour Zn sera :

correspondant à une longueur d’onde du seuil,

Afin de produire des photoélectrons de Zn, la lumière doit avoir une fréquence f0 ≈ ne dépassant 1015 Hz, soit une longueur d’onde inférieure à₀ λ ≈ 300 nm. Une telle longueur d’onde courte correspond aux UV (comme la lumière visible a une longueur d’onde supérieure ~ 400 nm, ce qui correspond à la couleur violette).

Puisqu’un électron porte une charge négative, l’effet photoélectrique supprimera les charges négatives d’un métal (effectivement y ajoutant les charges positives). Si le métal est à l’origine une charge négative, cela rendra que moins chargé. Si le métal est à l’origine à chargé positivement, cela rendra plus facturés. Ces effets seront étudiés dans cette expérience.

1. obtenir les composants nécessaires pour cette expérience

1. Obtenir un électroscope (Figure 1), qui est un dispositif qui contrôle la charge sur la plaque de métal reliée à l’électroscope. En raison de la force de répulsion coulombienne entre les charges, l’aiguille à l’intérieur de l’électroscope va dévier plus (ou moins) si il n’y a plus (ou moins) frais sur la plaque et ne se déplacera pas si il n’y a aucun frais.
2. Pour obtenir un plat métallique de zinc. Utilisez du papier abrasif pour polir sa surface (cela élimine l’oxyde de zinc sur la surface du métal et le rend plus facile de perdre des électrons à travers l’effet photoélectrique).
3. Placer la plaque de zinc sur et en contact direct avec la partie supérieure de l’électroscope (Figure 1).
4. Obtenir une source de lumière UV, qui comporte un élément de longueur d’onde 300nm et d’une lampe ordinaire fournissant la lumière visible. Obtenir une lunettes de soleil avec protection UV.
5. Obtenir une tige acrylique et un morceau de fourrure couramment utilisé pour produire des charges. Frotter la tige avec la fourrure ajoutera électrons à la tige, rendant la tige chargée négativement.

Figure 1 : Schéma montrant une non chargées (un) et une payante (b) (indiquée par la déviation de l’aiguille) électroscope, avec une plaque de zinc métal placé sur et relié à la plaque supérieure. (La situation chargée de ter est tirée des charges positives à titre d’exemple. Une observation similaire vaut pour l’électroscope négativement chargé.

2. effets photoélectrique sur Zinc chargée négativement

1. Frottez la tige avec le temps de furfive. Cela rendra la tige chargée négativement.
2. Mettre la tige à proximité de la plaque de zinc, sans la toucher. D’autre part permet d’aborder brièvement la plaque de zinc. Cela exigera la plaque de zinc pour être chargé positivement par induction (la tige chargée négativement attire quelques positives de la main sur le zinc métallique, condamnations et les charges positives restent sur le métal zinc après avoir retiré son contact avec la main). L’aiguille de l’électroscope devrait dévier pour indiquer que la plaque de métal, ainsi que toutes les parties de l’électroscope relié à lui, est facturé (Figure 2 a). Si nécessaire, répétez les steps2.1 et 2.2 pour ajouter plus de charges à la plaque.
3. Allumez la lampe visible et apportez-la à proximité de l’électroscope briller sa lumière sur la plaque de zinc (Figure 2 b). Observez la réponse de l’électroscope.
4. Éteindre le témoin ordinaire et mettre ensuite sur le UV, lunettes de protection. Allumez la lampe à UV lumière et apportez-la à proximité de l’électroscope. Briller la lumière UV sur le zinc métallique (Figure 2c). ATTENTION : Point la lampe à UV lumière loin de le œil et éviter de regarder directement dans la lumière UV protéger les yeux contre UV. Observez la réponse de l’électroscope. Puis éteindre la lampe à UV légère.

Figure 2 : Diagramme indiquant :unecharge positivement le métal zinc par la tige chargée négativement par induction ; et (b) régulier lampe lumière et l’État (c) UV lumière pour observer leurs effets sur l’accusation du zinc, sous la supervision de l’électroscope relié à lui.

3. effets photoélectrique sur Zinc chargé positivement

1. Frottez la tige avec le temps furfive à nouveau. Cela rendra la tige chargée négativement.
2. Apportez la tige en contact direct avec la plaque de zinc métal et frotter la tige sur la plaque cinq fois. Cela va transférer des charges négatives sur le zinc, indiquée par la déviation de l’aiguille de l’électroscope (Figure 3 a).
3. Ranger la tige et ne pas utiliser la main ou tout autre objet de toucher le métal zinc.
4. Allumez la lampe ordinaire (visible) et l’amener à proximité de l’électroscope briller sa lumière sur la plaque de zinc (Figure 3 b). Observez la réponse de l’électroscope.
5. Éteignez la lampe régulière et maintenant allumer la lampe UV et apportez-la à proximité de l’électroscope briller la lumière UV sur le zinc métallique (Figure 3C). ATTENTION : Point la lampe à UV lumière loin des yeux et éviter de regarder directement dans l’UV lumière pour protéger les yeux contre les UV. Observez la réponse de l’électroscope. Puis éteindre la lampe à UV légère.

Figure 3 : Diagramme indiquant :unecharge négativement le métal zinc par la tige chargée négativement par contact direct ; et (b) régulier lampe lumière et l’État (c) UV lumière pour observer leurs effets sur l’accusation du zinc, sous la supervision de l’électroscope relié à lui.

Pour obtenir la procédure 2.1 à 2.4, l’électroscope reste chargée (aiguille rester dévié) pour la lampe ordinaire et UV lumière éclairage (Figure 2 b et 2C), indiquant que la plaque de zinc reste chargée positivement. C’est parce que la plaque de zinc chargée (qui a déjà perdu des électrons en premier lieu pour devenir chargé positivement) davantage de photoélectrons losessome par la lumière UV pour le rendre plus chargés positivement. Dans thiscase, itmay être noticeablethat l’aiguille de l’électroscope dévie un peu plus loin dans la Figure 2c. Le doesnot lumière visible régulièrement changer les charges positives sur la plaque de zinc et les restes de l’électroscope facturés ainsi (Figure 2b).

Pour obtenir la procédure 3.1-3.5, lorsque la plaque de zinc est chargée négativement, on observe que la lampe ordinaire léger a encore une fois aucun effet sur l’électroscope (Figure 3b), tandis que le UV lumière provoque l’aiguille de l’électroscope à s’effondrer et revenir en position déchargée avec aucune déviation,cde la Figure 3. C’est parce que seuls les photons de lumière UV ont suffisamment d’énergie (au-dessus de le workfunction de zinc) pour éjecter des photoélectrons, ainsi s’acquitter le zinc qui a été précédemment chargé d’être négatif (avec les électrons en excès).

Dans cette expérience, nous denombreuses un électroscope à montrer que la lumière UV peut décharger un métal zinc chargée négativement par le biais de l’effet photoélectrique. En revanche, un échantillon de zinc chargée positivement (qui a déjà perdu des électrons) ne sera pas libéré, ni une lumière visible (ce qui ne peut pas provoquer l’effet photoélectrique) débarqueront soit zinc chargée négativement ou positivement.

L’effet photoélectrique ont joué un rôle important dans le développement de la physique quantique au 20^ème siècle qu’elle a fourni des preuves expérimentales que lumière est composée de particules que l'on appelle les photons andcarry quanta de l’énergie lumière proportionnelle à la fréquence lumineuse.

En pratique, l’effet photoélectrique a également été utilisé pour fabriquer des dispositifs optoélectroniques divers, tels que les commutateurs électriques photosensibles-où le blocage ou déblocage d’un faisceau de lumière qui brille sur un métal transforme un courant électrique en raison de l’absence ou la présence des photoélectrons ou désactiver. Ceci est utilisé dans beaucoup de capteurs de position mécanique (par exemple l’ouverture ou la fermeture d’une porte qui débloque ou bloque un faisceau lumineux).