האפקט הפוטואלקטרי

האפקט הפוטואלקטרי

תופעת פליטת אלקטרונים ממשטח מתכתי בעקבות הקרנת אור

איליה וינוקור bagrut.blogspot.com

1

http://www.youtube.com/watch?v=dHFIS0u75-8&feature=player_detailpage

http://video.google.com/videoplay?docid=2669501183162419322



ניסויים להכרת האפקט הפוטואלקטרי

: מחברים לוח אבץ לאלקטרומטר 1ניסו י •ומטעינים אותו במטען שלילי. ממקרינים עליו

לא בעוצמות שונות – האלקטרומטר אור לבןמתפרק


2


: מחברים לוח אבץ לאלקטרומטר 2ניסו •ומטעינים אותו במטען שלילי. ממקרינים עליו

בעוצמות שונות – אולטרא-סגולאור מתפרקהאלקטרומטר


3


לאלקטרומטר ברזל: מחברים לוח 3ניסו י •. מקרינים עליו שליליומטעינים אותו במטען

בעוצמות שונות – אור לבן ואולטרא סגוללא מתפרקהאלקטרומטר


4


: מחברים לוח אבץ לאלקטרומטר 4ניסו י •. מקרינים עליו חיוביומטעינים אותו במטען

בעוצמות שונות – אור לבן ואולטרא סגוללא מתפרק, אלא מטענו גדלהאלקטרומטר


5

קושי של התיאוריה הקלאסית

קיום של תדירות הסף 1.

כאשר אורך גל גדול מאורך גל מקסימלי או תדירות קטנה מתדירות מינימלית( האפקט

הפוטואלקטרי לא מתקיים, גם כאשר מגדילים את עוצמת האור. לפי תאוריית

גלים אנרגיה מצטברת ולא צריך להיות גבול של אורך גל


6


. אי תלות של אנרגיה קינטית בעוצמת 2האור

לפי תאוריית גלים, כמות האנרגיה •שמסופקת למתכת גדלה ואז אנרגיה

קינטית של האלקטרונים הנעקרים צריכה לגדול


7


. תלות של אנרגיה קינטית באורך גל3

לפי תאוריית גלים, אנרגיה קינטית תלויה •בעוצמת האור )אמפליטודה של גל( ולא

באורך הגל )תדירות(


8


.חוסר זמן תגובה4

תופעה של עקירת אלקטרונים מתחילה מייד עם תחילת ההקרנה. לפי תאוריית גלים דרוש זמן לאגירת אנרגיה במתחת

שתגרום לשיחרור אלקטרון


9

הנחות פלנק

hfEph Eph אנרגיית פוטון

h קבוע פלנק

f תדירות האור

(: האור מתנהג כאוסף 1900הנחות פלנק )פוטונים של חלקיקים קטנים המכונים

(1926)

)מנה קטנה של קוונטפוטון – הואאנרגיה(. אנרגיית הפוטון תלויה בתדירות

האור.


10

אנרגיית פוטון וקבוע פלנק

)()(

mJph

hchfE

sJh 341063.6

)()(

)(

124012400

0 nmA

eVphE

seVh 151014.4

Eph אנרגיית פוטון

h קבוע פלנק

f תדירות האור

c מהירות האור בריק m/s


11

ספקטרום של גלים אלקטרומגנטים


12

הסבר אינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי

BEE kph

Eph אנרגיית פוטון

Ek אנרגיה קינטית של אלקטרון

B אנרגיית קשר )פונקציית עבודה( – אנרגיה מינימלית שדרושה

לשחרור האלקטרון מהמתכתאיליה וינוקור

bagrut.blogspot.com13

על בסיס הנחות פלנק, איינשטיין הסביר את האפקט הפוטואלקטרי. פוטונים )קוונטים של

אנרגיה( שפוגעים במתכת, משחררים אלקטרונים. פוטון אחד יכול לשחרר אלקטרון אחד בלבד. כדי

להוציא אלקטרון צריך לספק לו אנרגיה שגדולה יותר מאנרגיית קשר )פונקציית עבודה(. אנרגיית קשר זאת אנרגיה מינימלית שמאפשר לאלקטרון

לצאת מהמתכת. אנרגיה של פוטון מתבזבזת להתגברות על אנרגיית קשר והספקת אנרגיה

קינטית לאלקטרון היוצא.

הסבר איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי


14

קתודה

• שפופרת ריקמפתח כפול לשינוי סימון

של מקור מתח

חלון קוורץ

אנודה

מקור מתח

מקור אור מונוכרומטי שניתן לשנות את אורך הגל שלו

פוטנציאומטר

מכשירי מדידה

מבנה המערכת


15

קטנה מתדירות הסף תדירות

nm)אורך גל ) 732עוצמת האור

(mW)0.3

(Vמתח ) 0


16

שינוי עוצמת אור בתדירות קטנה מתדירות הסף


(mW)0.5

(Vמתח ) 0

מגדילים את עוצמת האור בלי לשנות פרמטרים אחרים


17

הגדלת מתח בתדירות קטנה מתדירות הסף


(mW)0.5

(Vמתח ) 3

מגדילים את המתח בלי לשנות פרמטרים אחרים


18

1סיכום ביניים

כאשר אורך גל גדול מאורך גל מקסימלי או תדירות קטנה מתדירות מינימלית( האפקט

הפוטואלקטרי לא מתקיים, גם כאשר מגדילים את עוצמת האור או מתח מאיץ )קתודה שלילית

ואנודה חיובית(


19

תדירות הסף


(mW)0.3

(Vמתח ) 0

מאפסים את המתח ומקטינים שוב את עוצמת האור,מקטינים את אורך הגל )צבע של אור(


20

הגדלת עוצמת האור בתדירות שגדולה מתדירות הסף


(mW)0.5

(Vמתח ) 0

מגדילים את עוצמת האור בלי לשנות פרמטרים אחרים


21


כאשר אורך גל קטן מאורך גל מקסימלי או •תדירות גדולה מתדירות מינימלית( האפקט

הפוטואלקטרי מתקיים. כאשר מקרבים נורה לתא פוטואלקטרי או •

מוסיפים נורה נוספת, עוצמת האור גדלה. כאשר עוצמת האור גדלה – כמות הפוטונים •

שמגיעים לתא פוטואלקטרי גדלה. פוטון אחד משחרר אלקטרון אחד. •כמות האלקטרונים המשתחררים מהקתודה •

גדלה, לכן הזרם גדל. איליה וינוקור



פוטון אחד משחרר אלקטרון אחד• ביחידת זמן משוחררת כמות סופית של •

אלקטרוניםאם מגדילים מתח מאיץ) קתודה שלילית ואנודה •

חיובית(, יותר ויותר אלקטרונים מגיעים לאנודהבשלב מסוים כל האלקטרונים שהשתחררו •

ביחידת זמן מקתודה,מגיעים לאנודהבמצב הנ"ל הגדלת מתח לא תגרום להגדלת •

זרם, כי אין יותר אלקטרונים שעדיין לא הגיעו לאנודה

זרם מקסימלי שלא גדל עם הגדלת מתח נקרא •זרם רוויה


23

תלות של זרם רוויה בעוצמת האור

הגדלת עוצמת האור ללא שינוי באורך הגל

זרם גורמת רק להגדלת .הרוויה

2עוצמת האור של גרף גדולה יותר מאשר של

מפני שזרם רוויה 1גרף גדול יותר.2של גרף

ותדירויות )אורכי גל( שוות בשני המקרים

)הסבר בהמשך(


24

מתח עצירה


(mW)0.5

(Vמתח ) -0.2

מפעילים מתח שלילי


25

תדירות הסף


(mW)0.5

(Vמתח ) -1.1

מקטינים את אורך הגל


26

חישוב מתח עצירה

לפי חוק שימור האנרגיה

2

2maxmv

eV

e מטען האלקטרון

מתח עצירה

מהירות האלקטרון

m מסת האלקטרון

V

v

מתח עצירה ביחידות וולט שווה לאנרגיה קינטית של האלקטרונים ביחידות אלקטרון וולט

אלקטרון-וולט אחד – זאת אנרגיה שרוכש אלקטרון אחד בהעברת הפרש פוטנציאלים של וולט אחד


27


אם לאלקטרון יש אנרגיה קינטית , דרוש מתח •הפוך )שלילי( של , כדי לעצור אותו

הופכים את הסוללה, כך שקתודה הופכת •לחיובית ואנודה לשלילית. עכשין האלקטרונים

שנעקרים ממתכת בהשפעת האור נבלמים ע"י שדה חשמלי בין אנודה וקתודה.

הגדלת מתח שלילי )קתודה חיובית ואנודה •שלילית(, תגרום למצב שבו אף אלקטרון

שמשתחרר מקתודה לא תגיה לאנודה, ואז הזרם במערכת יתאפס.


28

)המשך(4סיכום ביניים

מתח שלילי שגורם להפסקת זרם במערכת נקרא •מתח עצירה

ככל מתח עצירה גדול יותר, כך גם אנרגיה •קינטית של האלקטרונים גדולה יותר.

אנרגיה קינטית של האלקטרון ביחידות •אלקטרון ולט שווה למתח עצירה ביחידות ולט


29

תלות מתח עצירה אורך הגלהקטנת אורך הגל גורמת

להקטנת אנרגיה קינטית של האלקטרונים וכתוצאה מכך

בערך מתח העצירה גדל מוחלט

לגרף שמאלי יש מתח עצירה גדול ביותר בערך מוחלט לכן

הוא מתאים לאורך גל קצר ביותר )תדירות גדולה ביותר(

לשלושתם יש אותה עוצמת האור)זרם רוויה זהה(

I

I

V


30

זרם הרויה וזרם כאשר מתח שווה לאפס

החל ממתח מסויים זרם •במעגל מפסיק לגדול – מגיע

לזרם רוויה

כאשר מתח שווה לאפס זרם אינו מתאפס, מפני

שלאלקטרונים הנעקרים יש אנרגיה קינטית וחלק מהם

מגיעים לאנודה

I0

זרם רוויה תלוי בכמות האלקטרונים שמשתחררים

מקתודה ביחידת זמן

t

qI


31

המתח שבו זרם במעגל שווה לאפס נקרא מתח

עצירהI0

çU

כאשר מתח שלילי קטן בערך מוחלט ממתח עצירה – חלק מהאלקטרונים מגיעים לאנודה, לכן קיים זרם

מתח עצירה - גרף


32

תוצאות ניסוי של אפקט פוטואלקטרי

כמות האלקטרונים הנעקרים מקתודה ביחידת זמן •פרופורציונית לעוצמת האור

אנרגיה קינטית של האלקטרונים גדלה ככל שאורך גל של • אור הפוגע קטן ולא תלויה בעוצמת האור

לכל חומר קיימת תדירות הסף.כאשר תדירות של האור •הפוגע קטנה מתדירות הסך לא מתרחש האפקט

הפוטואלקטריאין זמן תגובה.עקירת האלקטרונים מתחילה מיד עם •

הקרנת הקתודה באור שתדירותו גדולה מתדירות הסף לחומר הזה


33

הסבר אינשטיין לאפקט הפוטואלקטריכמות האלקטרונים הנעקרים מקתודה ביחידת זמן פרופורציונית •

לעוצמת האורהסבר: עוצמת האור =כמות פוטונים. פוטון אחר משחרר אלקטרון •

אחדאנרגיה קינטית של האלקטרונים גדלה ככל שאורך גל של אור הפוגע •

קטן ולא תלויה בעוצמת האורהסבר: אנרגיה של פוטון נמצאת ביחס ישר לתדירות האור )וביחס •

הפוך לאורך הגל(לכל חומר קיימת תדירות הסף. כאשר תדירות של האור הפוגע קטנה •

מתדירות הסך לא מתרחש האפקט הפוטואלקטריהסבר: כשאר אנרגיית פוטון קטנה מאנרגיית קשר )שונה לכל חומר( – •

לאלקטרון אין מספיק אנרגיה לשחרוראין זמן תגובה.עקירת האלקטרונים מתחילה מיד עם הקרנת הקתודה •

באור שתדירותו גדולה מתדירות הסף לחומר הזההסבר: לא דרושה אגירת אנרגיה כמו בגל – לכל פוטון ישי אנרגיה •

מספיקה לעקירת אלקטרון ) בתדירות גדולה מתדירות הסף(איליה וינוקור


ניתוח גרף

htg

Ek

Hzתדירות,

מתח עצירה שווה לאפס, אז אנרגיה של האלקטרונים הנעקרים גם שווה

)תדירות שבה תדירות הסףלאפס - לאלקטרונים הנעקרים אין אנרגיה

קינטית(

תדירות שווה לאפס: אנרגיית קשר באלקטרון

אנרגיה שלילית שיש )וולט לאלקטרון ביחס לגרעין(

BEE kph 0

אם אנרגיה קינטית שווה אז דרוש מתח עצירה 3eVל-

וולט כדי לעצור את 3של האלקטרון

BEph

BhfEk

BEph

y=mx+n


35

ניתוח גרף

e

htg

Vמתח,

Hzתדירות,

מתח עצירה שווה לאפס- תדירות

הסף חלקי מטען אלקטרון

תדירות שווה לאפס: אנרגיית קשר חלקי מטען אלקטרון

e

B

nmxye

Bf

e

h

e

Ek


36

סיכוםבוולט שווה לאנרגיה קינטית של מתח עצירה

אלקטרונים שנעקרו ביחידות אלקטרון-ולט

מתח עצירה נמצא ביחס ישר לתדירות של האור הפוגע במתכת וביחס הפוך לאורך הגל

ככל שתדירות האור גדולה יותר , כך גם אנרגיה קינטית של )בערך האלקטרונים גדולה יותר וכך גם מתח עצירה גדול יותר

מוחלט(ככל שאורך הגל גדול יותר, כך גם אנרגיה של

האלקטרונים קטנה יותר ומתח העצירה קטן יותר )בערך מוחלט(

כאשר מקרבים נורה לתא פוטואלקטרי או מוסיפים נורה, עוצמת האור גדלה, כלומר כמות הפוטונים שנפלטים מהמקור אור ופוגעים

במתכת בתא פוטואלקטרי גדלה. פוטון אחד יכול לשחרר רק אלקטרון אחד. לכן כמות האלקטרונים הנעקרים גדלה. כתוצאה

מזה זרם רוויה גדל.

– זרם מירבי שלא גדל עם הגדלת מתח זרם רוויה מאיץ. סיבה: כל האלקטרונים שנעקרו מקתודה ביחידת

זמן הגיעו לאנודה


37

מקורות מידע


38

http://www.interlect.co.il/ קרינה וחומר - האטום והגרעין1.2, 1.1)בהכנה( פרק

http://www.kcvs.ca/site/projects/physics_files/photoelectric/photoelectricEffect.swf

http://phet.colorado.edu/sims/photoelectric/photoelectric_iw.jnlp

דף סיכום 2 סיכום 1 דף

http://www.interlect.co.il/





http://4.bp.blogspot.com/-9avOvhHMtV0/Tb6t46Wi-WI/AAAAAAAAGvo/FZ60EL2ECvY/s320/16_fotoeffekt_1.jpg

http://4.bp.blogspot.com/-9avOvhHMtV0/Tb6t46Wi-WI/AAAAAAAAGvo/FZ60EL2ECvY/s320/16_fotoeffekt_1.jpg

http://3.bp.blogspot.com/-CZDDtk8b2YE/Tb6t7Rvw_DI/AAAAAAAAGvs/Pa5BERid6d4/s320/17_fotoeffekt_2.jpg

האפקט הפוטואלקטרי

Documents

Transcript of האפקט הפוטואלקטרי