The photoelectric effectphotoelectric effectphotoelectric effect occurs under certain conditions:
The frequency of the incident light must be above a minimal value called threshold frequencythreshold frequencythreshold frequency , 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 surface, 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).
Definitions:
Photoelectron is an electron emitted from a metal surfacesurfacesurface by interaction with an incident photon.
Work function is a minimum energy required to eject an electron from a metal surface.
Task 1
Look at the slideshow and learn what kind of an experimental setup is necessary to observe the photoelectric effect. Try to formulate some general conclusions.
[Slideshow]
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 surfacesurfacesurface.
The photoelectric current 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 functionwork functionwork 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, - the frequency of the incidentincidentincident light (Hz), W - the work functionwork functionwork function (J), - the maximum kinetic energy of the emitted electrons (J).
The relation between the work function at the threshold frequency is expressed by the formula:
Braking potential:
The photoelectric current in a typical experimental system is very small. The number of electrons reaching the anode can be measured using anode current. However, this measurement is not very precise. You can also apply reverse voltage to the anode. This reverse voltage repels electrons and prevents them from reaching the anode - photoelectric current decreases to zero. The highest required voltage is called the VIndeks dolny 00 braking potential. The energy corresponding to this potential is eVIndeks dolny 00 and is equal to the maximum kinetic energy EIndeks dolny kk of the emitted electrons. In this way, we can measure output work with greater precision.
If the wavelength of light is 250 nm, what is the maximum kinetic energy of the emitted photoelectrons from a metal for which a work functionwork functionwork function is equal to 4,5 eV?
The photoelectric effectphotoelectric effectphotoelectric effect occurs only when the incident light frequency is greater than the threshold frequencythreshold frequencythreshold frequency characteristic for a given metal.
Selected words and expressions used in the lesson plan
Elektronowolt – to ilość energii, którą uzyskuje pojedynczy ładunek elektryczny (elektron) przyspieszany przez pole elektryczne o różnicy potencjałów 1 wolta. Energia fotonów jest zwykle wyrażana w eV. Przykładowo, fotony światła widzialnego mają energie w zakresie 1,8 - 3,1 eV.
Pod wpływem światła padającego na metalową powierzchnię emitowane są z niej elektrony. Zjawisko to nazywa się efektem fotoelektrycznym. Elektrony te nazywane są fotoelektronami, a prąd elektryczny wytwarzany przez fotoelektrony nazywany jest prądem fotoelektrycznym.
Zewnętrzną powłokę atomu zajmują elektrony walencyjne. Są one stosunkowo luźno związane z atomem. Do usunięcia elektronów walencyjnych potrzebna jest określona energia. Energię tę dostacza padające światło.
m578872b9c35da6fc_1528449000663_0
Zewnętrzny efekt fotoelektryczny i jego zastosowanie
m578872b9c35da6fc_1528449084556_0
Trzeci
m578872b9c35da6fc_1528449076687_0
X. Fizyka atomowa. Uczeń:
5) opisuje zjawiska jonizacji, fotoelektryczne i fotochemiczne jako wywołane tylko przez promieniowanie o częstotliwości większej od granicznej.
m578872b9c35da6fc_1528449068082_0
45 minut
m578872b9c35da6fc_1528449523725_0
Wyjaśnia powstawanie efektu fotoelektrycznego.
m578872b9c35da6fc_1528449552113_0
1. Określa warunki potrzebne do zajścia efektu fotoelektrycznego.
2. Opisuje układ eksperymentalny potrzebny do zarejestrowania zjawiska fotoelektrycznego.
3. Przeprowadza proste obliczenia związane z efektem fotoelekrycznym.
m578872b9c35da6fc_1528450430307_0
Uczeń:
- wyjaśnia jakościowo efekt fotoelektryczny,
- rozwiązuje proste problemy związane z efektem fotoelektrycznym.
m578872b9c35da6fc_1528449534267_0
1. Dyskusja.
2. Doświadczenie.
m578872b9c35da6fc_1528449514617_0
1. Praca indywidualna.
2. Praca grupowa.
m578872b9c35da6fc_1528450127855_0
Powtórzenie wiadomości:
Wyjaśnij, co to jest foton i jak definiujemy jego energię.
m578872b9c35da6fc_1528446435040_0
Efekt fotoelektryczny:
Pod wpływem światła padającego na metalową powierzchnię emitowane są z niej elektrony. Zjawisko to nazywa się efektem fotoelektrycznym. Elektrony te nazywane są fotoelektronami, a prąd elektryczny wytwarzany przez fotoelektrony nazywany jest prądem fotoelektrycznym.
Zewnętrzną powłokę atomu zajmują elektrony walencyjne. Są one stosunkowo luźno związane z atomem. Do usunięcia elektronów walencyjnych potrzebna jest określona energia. Energię tę dostacza padające światło.
[Ilustracja 1]
Efekt fotoelektryczny występuje w określonych warunkach:
Częstotliwość padającego światła musi być powyżej minimalnej wartości zwanej częstotliwością graniczną , która jest charakterystyczna dla danego materiału.
Światło o wysokiej częstotliwości (krótkich falach) niesie większą energię niż światło o niskiej częstotliwości (długich falach).
Aby elektron mógł zostać wyemitowany z powierzchni metalu, energia dostarczona przez padający kwant światła czyli foton, musi być większa od pracy wyjścia – wielkości charakteryzującej dany metal. Energia kinetyczna fotoelektronów rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości padającego światła (energii padających fotonów).
Definicje:
Fotoelektron – elektron wyemitowany z powierzchni metalu na skutek oddziaływania z padającym fotonem.
Praca wyjścia – najmniejsza energia, która musi zostać dostarczona, aby elektron mógł opuścić powierzchnię metalu.
Polecenie 1
Obejrzyj pokaz slajdów i dowiedz się, jaki rodzaj zestaw eksperymentalny jest niezbędny do zarejestrowania efektu fotoelektrycznego. Spróbuj sformułować kilka ogólnych wniosków.
[Slideshow]
Obserwacje:
Jeśli częstotliwość padającego światła jest mniejsza niż częstotliwość graniczna, to zwiększanie natężenia światła nie wpływa na emisję elektronów z powierzchni metalu.
Prąd fotoelektryczny rośnie wraz ze wzrostem natężenia światła, przy częstotliwości światła większej od częstotliwości granicznej.
Związek między energią padającego fotonu, pracą wyjścia i energią kinetyczną emitowanego fotonu opisuje równanie Einsteina‑Millikana:
gdzie: h – stała Plancka 6.63 · 10Indeks górny -34-34 J·s, – częstotliwość padającego światła (Hz), W – praca wyjścia (J), – maksymalna energia kinetyczna wyemitowanych elektronów(J).
Związek między pracą wyjścia z częstotliwością graniczną wyraża się zależnością:
Potencjał hamujący:
Prąd fotoelektryczny w typowym układzie eksperymentalnym jest bardzo mały. Ilość elektronów docierających do anody może być mierzona za pomocą prądu anodowego. Jednakże taki pomiar nie jest zbyt precyzyjny. Można również przyłożyć do anody napięcie odwrotne. To odwrotne napięcie odpycha elektrony i uniemożliwia im dotarcie do anody – prąd fotoelektryczny maleje do zera. Największe wymagane napięcie jest zwane potencjałem hamującym VIndeks dolny 00. Energia odpowiadająca temu potencjałowi wynosi eVIndeks dolny 00 i jest równa maksymalnej energii kinetycznej EIndeks dolny kk wyemitowanych elektronów. W ten sposób możemy mierzyć pracę wyjścia z większą precyzją.
[Ilustracja 2]
Definicja:
Elektronowolt – to ilość energii, którą uzyskuje pojedynczy ładunek elektryczny (elektron) przyspieszany przez pole elektryczne o różnicy potencjałów 1 wolta. Energia fotonów jest zwykle wyrażana w eV. Przykładowo, fotony światła widzialnego mają energie w zakresie 1,8 - 3,1 eV.
1 eV = 1,6 · 10Indeks górny -19-19 J.
Polecenie 2
Jaka będzie maksymalna energia kinetyczna fotoelektronu wyemitowanego z metalu, dla którego praca wyjścia wynosi 4,5 eV, a długość światła padającego wynosi 250 nm.
Odpowiedź:
0,47 eV.
m578872b9c35da6fc_1528450119332_0
Efekt fotoelektryczny zachodzi tylko wtedy, gdy częstotliwość światła padającego jest większa od częstotliwości granicznej charakterystycznej dla danego metalu.