blogg-vitalika.ru

  

Bästa artiklarna:

  
Main / Hur man beräknar fysikexperiment för arbetsfunktioner

Hur man beräknar fysikexperiment för arbetsfunktioner

Under rätt omständigheter kan ljus användas för att skjuta elektroner och frigöra dem från ytan av ett fast ämne. Denna process kallas fotoelektrisk effekt eller fotoelektrisk emission eller fotoemission, ett material som kan uppvisa detta fenomen sägs vara fotoemissivt, och de utkastade elektronerna kallas fotoelektroner; men det finns inget som skiljer dem från andra elektroner.

Alla elektroner är identiska med varandra i massa, laddning, snurr och magnetiskt moment. Den fotoelektriska effekten observerades först 1887 av Heinrich Hertz under experiment med en gnistgapgenerator, den tidigaste anordningen som kunde kallas radio. I dessa experiment framkallar gnistor mellan två små metallsfärer i en sändare gnistor som hoppar mellan två olika metallsfärer i en mottagare.

Jämfört med senare radioenheter var gnistgapgeneratorn notoriskt svår att arbeta med. Luftspalten måste ofta vara mindre än en millimeter för att mottagaren ska kunna reproducera gnistan från sändaren på ett tillförlitligt sätt.

Hertz fann att han kunde öka känsligheten hos sin gnistgapapparat genom att belysa den med synligt eller ultraviolett ljus. Senare studier av J. Thomson visade att denna ökade känslighet var resultatet av att ljus tryckt på elektroner - en partikel som han upptäckte 1897. Även om detta är intressant är det knappast fantastiskt.

Alla former av elektromagnetisk strålning transporterar energi och det är ganska lätt att föreställa sig att den här energin används för att skjuta små partiklar med negativ laddning fritt från ytan på en metall där de i första hand inte är så starkt begränsade. Era med modern fysik är dock en av helt oväntade och oförklarliga upptäckter.

Efterföljande undersökningar av den fotoelektriska effekten gav resultat som inte passade med den klassiska teorin om elektromagnetisk strålning.

När det interagerade med elektroner uppförde sig ljuset bara inte som det skulle. Att reparera denna tår krävde i teorin mer än bara en lapp. Det innebar att man återuppbyggde en stor del av fysiken från grunden. Det var Philipp Lenard, en assistent för Hertz, som utförde de tidigaste, slutgiltiga studierna av den fotoelektriska effekten. Lenard använde metallytor som först rengördes och sedan hölls under vakuum så att effekten kunde studeras på metallen ensam och inte påverkas av några ytföroreningar eller oxidation.

Metallprovet hölls i ett evakuerat glasrör med en andra metallplatta monterad i motsatt ände. Röret placerades eller begränsades sedan på något sätt så att ljus bara skulle lysa på den första metallplattan - den som gjordes av fotomissivt material som undersöktes.

Lenard kopplade sin fotocell till en krets med en variabel strömförsörjning, voltmeter och mikroammeter som visas i det schematiska diagrammet nedan. Han belyste sedan den fotoemissiva ytan med ljus av olika frekvenser och intensiteter. Att slå elektroner fritt från den fotoemissiva plattan skulle ge den en liten positiv laddning. Eftersom den andra plattan var ansluten till den första genom ledning av kretsen, skulle den också bli positiv, vilket sedan skulle locka fotoelektronerna som svävade fritt genom vakuumet där de skulle landa och återvända till plattan från vilken de startade.

Tänk på att detta experiment inte skapar elektroner ur ljus, det använder bara energin i ljuset för att skjuta elektroner som redan finns runt kretsen.

Den fotoelektriska strömmen som genererades på detta sätt var ganska liten, men kunde mätas med en mikrometer en känslig galvanometer med en maximal avböjning på endast några mikroampor.

Det fungerar också som ett mått på den hastighet med vilken fotoelektroner lämnar ytan av det fotoemissiva materialet. Observera hur strömförsörjningen är ansluten till kretsen - med dess negativa ände ansluten till plattan som inte lyser.

Detta skapar en potentiell skillnad som försöker driva fotoelektronerna tillbaka in i den fotoemissiva ytan. När strömförsörjningen är inställd på låg spänning fångar den de minst energiska elektronerna, vilket minskar strömmen genom mikroammetern.

Ökning av spänningen driver allt mer energiska elektroner tillbaka tills slutligen ingen av dem kan lämna metallytan och mikroammetern läser noll. Det är ett mått på den maximala kinetiska energin hos de elektroner som emitteras till följd av den fotoelektriska effekten.

Vad Lenard fann var att intensiteten i det infallande ljuset inte hade någon effekt på fotoelektronernas maximala kinetiska energi. De som matas ut från exponering för ett mycket starkt ljus hade samma energi som de som utsattes för exponering för ett mycket svagt ljus med samma frekvens. I överensstämmelse med lagen om energibesparing utkastades emellertid fler elektroner av en ljus källa än en svag källa.

Senare experiment av andra, särskilt den amerikanska fysikern Robert Millikan 1914, fann att ljus med frekvenser under ett visst gränsvärde, kallat tröskelfrekvensen, inte skulle mata ut fotoelektroner från metallytan oavsett hur ljus källan var.

Dessa resultat var helt oväntade. Med tanke på att det är möjligt att flytta elektroner med ljus och med tanke på att energin i en ljusstråle är relaterad till dess intensitet, skulle klassisk fysik förutsäga att en mer intensiv ljusstråle skulle mata ut elektroner med större energi än en mindre intensiv stråle oavsett vad frekvensen.

Detta var dock inte fallet. Egentligen kanske dessa resultat inte är så typiska. De flesta element har tröskelfrekvenser som är ultravioletta och bara några faller ner tillräckligt lågt för att vara gröna eller gula som exemplet som visas ovan. Materialen med de lägsta tröskelfrekvenserna är alla halvledare. Vissa har tröskelfrekvenser i spektrumets infraröda region.

Den klassiska ljusmodellen beskriver den som en tvärgående, elektromagnetisk våg. Av detta fanns det mycket liten tvivel i slutet av 1800-talet. Ljusets vågnatur bekräftades när det framgångsrikt applicerades för att förklara sådana optiska fenomen som diffraktion, interferens, polarisering, reflektion och brytning.

Om vi ​​kan föreställa oss ljus som vågor i ett elektromagnetiskt hav och vara ganska framgångsrika med det, skulle det inte vara mycket av en sträcka för oss att avbilda elektroner i en metallyta som något som bundna bojar som flyter i en elektromagnetisk hamn.

Längs fram kommer vågorna som drar och drar i bojarnas elektroner. Svaga vågor har ingen effekt, men starka kan bara dra ut en boj från deras förtöjning och sätta den på drift. En vågmodell av ljus skulle förutsäga ett förhållande mellan energi och amplitud och inte förhållandet mellan energi och frekvens som beskrivits ovan. Fotoelektriska experiment beskriver ett elektromagnetiskt hav där monströsa svällningar inte skulle välta över en kanot, men små krusningar skulle slänga dig upp i luften.

Om det inte var tillräckligt verkar fotoelektronerna dyka upp ur ytan för snabbt. När ljusintensiteterna är mycket låga är hastigheten med vilken energi levereras till ytan rent trög.

Det bör ta ett tag för en viss elektron att fånga tillräckligt med denna diffusa energi för att frigöra sig. Det borde det, men det gör det inte. Fortsätt med havsanalogen, föreställ dig en hamn full av småbåtarelektroner. Havet är lugnt förutom små krusningar på ytan låg intensitet, kort våglängdsljus. De flesta av båtarna i hamnen påverkas inte av dessa vågor, men en slits från hamnen och skickas flygande uppåt som ett jetflygplan.

Något är bara inte här. Inga mekaniska vågor beter sig så här, men ljuset gör det. De två faktorer som påverkar den maximala kinetiska energin hos fotoelektroner är frekvensen för den infallande strålningen och materialet på ytan. Som visas i diagrammet nedan ökar elektronenergin med frekvensen på ett enkelt linjärt sätt över tröskeln. Alla tre kurvorna har samma lutning som är lika med Planck-konstanten, vilket visar att energifrekvensrelationen är konstant för alla material.

Under tröskelfrekvensen förekommer inte fotoemission. Varje kurva har olika skärning på energiaxeln, vilket visar att tröskelfrekvensen är en funktion av materialet. Geniet som räknade ut vad som hände här var ingen ringare än världens mest kända fysiker Albert Einstein.

År 1905 insåg Einstein att ljuset uppförde sig som om det var sammansatt av små partiklar som ursprungligen kallades kvanta och senare kallades fotoner och att energin i varje partikel var proportionell mot frekvensen av den elektromagnetiska strålningen som den var en del av.

Kom ihåg från föregående avsnitt i den här boken att Max Planck uppfann uppfattningen om kvantiserad elektromagnetisk strålning som ett sätt att lösa ett tekniskt problem med idealiserade källor till elektromagnetisk strålning som kallas svartkroppar. Minns också att Planck inte trodde att strålning faktiskt delades upp i små bitar som hans matematiska analys visade.

Han tyckte att det hela bara var en konstruktion som gav honom rätt svar. Einsteins geni var att erkänna att Plancks konstruktion faktiskt var en rimlig beskrivning av verkligheten. Vad vi uppfattar som en kontinuerlig våg av elektromagnetisk strålning är faktiskt en ström av diskreta partiklar. Albert Einstein, 1905. I själva verket verkar det som om observationerna om "svartkroppsstrålning", fotoluminescens, produktion av katodstrålar av ultraviolett ljus och andra fenomen som involverar emission eller omvandling av ljus kan förstås bättre på antagandet att ljusets energi fördelas diskontinuerligt i rymden.

Enligt antagandet här, när en ljusstråle som börjar från en punkt förökas, fördelas inte energin kontinuerligt över en ständigt ökande volym, men den består av ett begränsat antal energikvantiteter, lokaliserade i rymden, som rör sig utan att delas och som endast kan absorberas eller släppas ut som en helhet.

Einstein och Millikan beskrev den fotoelektriska effekten med hjälp av en formel i samtida notation som relaterar den maximala kinetiska energin K max för fotoelektronerna till frekvensen hos de absorberade fotonerna f och tröskelfrekvensen f 0 för den fotoemissiva ytan. Den maximala kinetiska energin Kmax för fotoelektronerna med laddning e kan bestämmas utifrån stopppotentialen V0.

När laddning e ges i coulomb kommer energin att beräknas i joule. Detta resulterar i många konstanter. Använd den som passar bäst för ditt problem.

(с) 2019 blog-vitalika.ru