Zewnętrzny efekt fotoelektryczny i jego zastosowanie

Before you start answer the question.

• Explain what a photon is and how its energy is defined.

Photoelectric effect

When light is incidentincidentincident on the metal surfacesurfacesurface, electrons are emitted from it. This phenomenon is called photoelectric effectphotoelectric effectphotoelectric effect. These electrons are called photoelectrons and the electric currentcurrentcurrent produced by the photoelectrons is called photoelectric current.

The outermost shelloutermost shelloutermost shell of an atom is occupied by valence electronvalence electronsvalence electrons. They are relatively loosely attached to the atom. A specific energy is needed to remove the valence electrons from the atom. This energy is provided by the incident light.

R17scZUi4NTi31

Na rysunku zatytułowanym Photoelectric effect przedstawione zostało schematycznie zjawisko fotoelektryczne. Padające na powierzchnię metalu światło - light (zygzakowate strzałki skierowane ukośnie do dołu opisane Energy In) dostarcza energię potrzebną do wybicia elektronów z jej wierzchniej warstwy. Metal, opisany electrons near the metal surface, schematycznie narysowany jako dwa poziome odcinki między którymi znajdują się małe koła ze znakiem minus. Nadmiar energii, który nie został zużyty na pracę wyjścia, elektrony unoszą w postaci energii kinetycznej (strzałki ukośnie skierowane do góry opisane Energy Out). Na końcu strzałek małe koła ze znakiem minus opisane photoelectrons.

The photoelectric effect occurs under certain conditions.

• The frequency $\nu$ of the incidentincidentincident light must be above a minimal value called threshold frequencythreshold frequencythreshold frequency ${\nu }_0$, which is specific for any material.

• High‑frequency light (light with short wavelengths) have energy greater then low‑frequency light (light with long wavelengths).

• In order for the electron to be emitted from the metal surfacesurfacesurface, it must gain from an incident quantum of light or photon more energy than the work functionwork functionwork function - the quantity that characterizes a given metal. The kinetic energy of photoelectrons increases with increasing frequency of incident light (energy of incident photons).

Task 1

RrBitHb11aSPo1

nagranie abstraktu

nagranie abstraktu

Nagranie dostępne na portalu epodreczniki.pl

nagranie abstraktu

Look at the slideshow and learn what kind of an experimental setup is necessary to observe the photoelectric effectphotoelectric effectphotoelectric effect. Try to formulate some general conclusions.

R12oNbbEwz1xM

Pokaz slajdów przedstawia jakiego rodzaju zestaw eksperymentalny jest niezbędny do zarejestrowania efektu fotoelektrycznego. Instrukcja obsługi z poziomu klawiatury: 1. Uruchomienie aplikacji - ENTER, 2. Na każdym ze slajdów czytany jest automatycznie tekst alternatywny po polsku, 3. Przy pierwszym uruchomieniu na pierwszym slajdzie, czytanie tekstu po angielsku - TAB, 4. Przejście między slajdami: do następnego slajdu - TAB, do poprzedniego slajdu - TAB + SHIFT, 5. Przejście do czytania napisu po angielsku - strzałka w górę + strzałka w dół (czyta tekst po angielsku widoczny na slajdzie).

Pokaz slajdów przedstawia jakiego rodzaju zestaw eksperymentalny jest niezbędny do zarejestrowania efektu fotoelektrycznego. Instrukcja obsługi z poziomu klawiatury: 1. Uruchomienie aplikacji - ENTER, 2. Na każdym ze slajdów czytany jest automatycznie tekst alternatywny po polsku, 3. Przy pierwszym uruchomieniu na pierwszym slajdzie, czytanie tekstu po angielsku - TAB, 4. Przejście między slajdami: do następnego slajdu - TAB, do poprzedniego slajdu - TAB + SHIFT, 5. Przejście do czytania napisu po angielsku - strzałka w górę + strzałka w dół (czyta tekst po angielsku widoczny na slajdzie).

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/Dq5qUybRH

Observations

If the incidentincidentincident light frequency is less than the threshold frequencythreshold frequencythreshold frequency, increasing the light intensity does not help and the electrons will not be emitted from the metal surface.

The photoelectric currentcurrentcurrent increases as the light intensity increases, given that the frequency of light is greater than the threshold frequency.

The relation between the energy of incident photon, work function and kinetic energy of emitted photon is described by the Einstein‑Millikan equation:

where:

h - the Plank constant 6,63 · 10Indeks górny -34^-34 J·s,

ν - the frequency of the incidentincidentincident light (Hz),

W - the work functionwork functionwork function (J),

EIndeks dolny k_k - the maximum kinetic energy of the emitted electrons (J).

The relation between the work function at the threshold frequency ${\nu }_0$ is expressed by the formula:

Stopping potential

The photoelectric currentcurrentcurrent in a typical setup is extremely small. The number of the electrons reaching the anode can be measured from the anode current. However, such a measurement is not precise. But a reverse voltage can be applied to the anode. This reverse voltage (retarding potentialpotentialpotential) repels the electrons and prevents them from reaching the anode – the photoelectric current becomes zero. The maximum retarding potential is called the stopping potentialstopping potentialstopping potential VIndeks dolny 0₀. The energy corresponding to this potentialpotentialpotential is eVIndeks dolny 0₀ and is equal to the maximum kinetic energy EIndeks dolny k_k of the emitted electrons:

In this way we can measure the work function W with better precision.

R1LVfm3kocGb21

Rysunek zatytułowany Variation of photocurrent with collector plate potential przedstawia wykres zależności prądu fotoelektronów od przyłożonego napięcia. Przy dostatecznie dużym napięciu prąd osiąga stan nasycenia, czyli wszystkie emitowane elektrony docierają do anody. Natężenie prądu fotoelektrycznego jest równe zeru dopiero po przyłożeniu napięcia hamującego (nawet najszybszy elektron nie dotrze do anody). Oś pozioma opisuje przyłożony potencjał V opisana collector plate potential, oś pionowa natężenie prądu fotoelektrycznego I opisana photocurrent. Na osi poziomej w pierwszej części układu współrzędnych zaznaczono -V z indeksem 0 i podpisano stopping potential. Od niego wykres narysowany ukośnie do góry, w miejscu przecięcia z osią I wykres zmienia kierunek na prawie poziomy. Pod wykresem strzałka pozioma skierowana w lewo opisana retarding potential.

Exercises

Glossary

Keywords

photoelectric effectphotoelectric effectphotoelectric effect

stopping potentialstopping potentialstopping potential

threshold frequencythreshold frequencythreshold frequency

valence electronsvalence electronsvalence electrons

work functionwork functionwork function