光電効果

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。

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。

1. この実験に必要なコンポーネントを取得します。

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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

1. Furfive 回で棒をこする。これは負荷電の棒を作る。
2. 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。
3. 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。
4. 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

1. 再び furfive 回と棒をこする。これは負荷電の棒を作る。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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。

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。