Temat

Zewnętrzny efekt fotoelektryczny i jego zastosowanie

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

X. Fizyka atomowa. Uczeń:

5) opisuje zjawiska jonizacji, fotoelektryczne i fotochemiczne jako wywołane tylko przez promieniowanie o częstotliwości większej od granicznej.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Wyjaśnia powstawanie efektu fotoelektrycznego.

Kształtowane kompetencje kluczowe

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.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- wyjaśnia jakościowo efekt fotoelektryczny,

- rozwiązuje proste problemy związane z efektem fotoelektrycznym.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Doświadczenie.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Powtórzenie wiadomości:

Wyjaśnij, co to jest foton i jak definiujemy jego energię.

Realizacja lekcji

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 $\nu$ musi być powyżej minimalnej wartości zwanej częstotliwością graniczną ${\nu }_0$, 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,
$\nu$ – częstotliwość padającego światła (Hz),
W – praca wyjścia (J),
$E_k$ – maksymalna energia kinetyczna wyemitowanych elektronów(J).

Związek między pracą wyjścia z częstotliwością graniczną ${\nu }_0$ 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 k_k 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.

Podsumowanie lekcji

Efekt fotoelektryczny zachodzi tylko wtedy, gdy częstotliwość światła padającego jest większa od częstotliwości granicznej charakterystycznej dla danego metalu.