מצגת

Transcription

מצגת
‫גלי אור‬
‫עד לשנת ‪ 1900‬מודל הגלים תאר בצורה מדויקת‬
‫את כל התופעות המאפיינות את התנהגות האור‬
‫כמו שבירה‪ ,‬החזרה‪ ,‬התאבכות ועקיפה‬
‫גלי אור מאופיינים ע"י‪:‬‬
‫‪ – A‬אמפליטודה‬
‫‪ – f‬תדירות‬
‫‪ - l‬אורך גל‬
‫‪ – C‬מהירות האור בריק‬
‫האפקט הפוטואלקטרי‬
‫תופעה פיזיקלית שבה נפלטים אלקטרונים מפני‬
‫מתכת כאשר פוגעת בה קרינה אלקטרומגנטית‬
‫ונבלעת בה‪.‬‬
‫ההסבר שנתן אלברט איינשטיין לאפקט זה בשנת‬
‫‪ 1905‬זיכה אותו בפרס נובל לפיזיקה בשנת ‪.1921‬‬
‫תא פוטואלקטרי‪:‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫שפורפרת ריק שבתוכה שתי‬
‫אלקטרודות‪:‬‬
‫פולט (קתודה) ‪ -‬מתכת שבה פוגע‬
‫האור וממנה נפלטים האלקטרונים‪.‬‬
‫פולט (אנודה) ‪ -‬אלקטרודת מתכת‬
‫נוספת שאליה מגיעים חלק‬
‫מהאלקטרונים שנפלטו‪.‬‬
‫אם סוגרים מעגל מתקבל זרם‬
‫חשמלי‪.‬‬
‫תאור התופעה‬
‫האור הפוגע בקתודה גורם לפליטת אלקטרונים‪ ,‬אלקטרונים אלו נפלטים עם אנרגיה קינטית‬
‫מסוימת וכך מגיעים אל האנודה וזורם זרם במעגל‪.‬‬
‫אם מפעילים מתח קדמי (האנודה חיובית ביחס לקתודה)‪ ,‬המתח יאיץ את האלקטרונים לכוון‬
‫האנודה והזרם במעגל יגדל‪.‬‬
‫אם מפעילים מתח הפוך או מתח מעכב (האנודה שלילית ביחס לקתודה)‪ ,‬המתח יתנגד‬
‫לזרימת האלקטרונים לכוון האנודה והזרם במעגל יקטן‪.‬‬
‫מתח עצירה ‪ - Vo‬המתח שממנו ואילך לא יגיעו אלקטרונים לקולט ולכן לא ימדד זרם‪.‬‬
‫תופעות שהתגלו במהלך ביצוע הניסוי ושלא ניתן היה להסבר‬
‫אותן באמצעות התיאוריה הגלית‬
‫‪ .1‬מספר האלקטרונים הנפלטים מהמתכת תלוי בעוצמת האור‪ ,‬אך לא כן מהירותם‪.‬‬
‫‪ .2‬מהירות האלקטרונים הנפלטים גדלה ככל שתדירות האור הפוגע גדלה‪.‬‬
‫‪ .3‬לכל מתכת קיימת תדירות סף‪ ,‬אשר אור בעל תדירות נמוכה יותר לא יגרום‬
‫לפליטת אלקטרונים ממנה‪ ,‬ללא תלות בעוצמת האור‪.‬‬
‫‪ .4‬פליטת האלקטרונים היא מיידית (מרגע תחילת הקרנת האור) ואין השהיה‪ ,‬גם‬
‫כאשר עוצמת האור נמוכה‪.‬‬
‫ההסבר של אינשטיין‬
‫יש להסתכל על האור כעל אוסף חלקיקים (פוטונים)‪ ,‬אשר לכל אחד מהם אנרגיה‬
‫‪E = hf‬‬
‫השערה זו מניחה שבעת פגיעת פוטון במתכת‪ ,‬נעלם הפוטון וכל האנרגיה שלו מועברת‬
‫לאחד האלקטרונים במתכת‪.‬‬
‫האנרגיה המינימלית הנדרשת על מנת לפלוט אלקטרון מהמתכת הינה תכונה של‬
‫המתכת וקרויה בשם "פונקציית עבודה" ‪. B -‬‬
‫לכן‪ ,‬אלקטרונים יכולים להיפלט מהמתכת רק כאשר האנרגיה של כל פוטון גדולה‬
‫מפונקציית העבודה‪.‬‬
‫במקרה כזה‪ ,‬שארית האנרגיה הופכת לאנרגיה הקינטית של האלקטרון‪Ek = hf - B :‬‬
‫מסקנה – קיימת תדירות סף ‪ fo‬שתאפשר פליטה של אלקטרונים‪.‬‬
‫תאוריה זו עונה על כל הקשיים שלא היו ניתנים להסבר על ידי הסתכלות על האור כעל גל‬
‫בלבד‪:‬‬
‫‪ .1‬הגדלת עוצמת האור משנה רק את מספר הפוטונים‪ ,‬אך לא את האנרגיה של כל אחד‬
‫מהם‪ .‬לכן היא מגדילה את מספר האלקטרונים הנפלטים‪ ,‬אבל לא משפיעה על‬
‫האנרגיה הקינטית של כל אחד מהם‪ .‬או לחלופין‪ ,‬אנרגיית הפוטון (התלויה רק‬
‫בתדירותו שלא השתנתה) אינה גדולה מספיק על מנת לשחרר אלקטרון וכך‪ ,‬אף על‬
‫פי שעוצמת האור הוגדלה עדין לא נפלטים אלקטרונים‪.‬‬
‫‪ .2‬כאשר תדירות האור גדלה‪ ,‬האנרגיה של כל אחד מהפוטונים גדלה אף היא‪ ,‬ולכן‬
‫גדלה האנרגיה הקינטית של האלקטרון הנפלט‪.‬‬
‫‪ .3‬כאשר ‪ hf <B‬אין לפוטון אנרגיה מספיקה להוצאת אלקטרון מהמתכת‪ .‬זה המקור‬
‫לתדירות הסף שנמצאה עבור המתכת‪.‬‬
‫‪ .4‬פוטון אחד פולט אלקטרון אחד ‪ -‬קצב הפליטה נקבע על ידי האינטראקציה של הפוטון‬
‫עם האלקטרון‪ .‬למרות שהקצב הממוצע של מעבר האנרגיה למתכת מאוד נמוך‪,‬‬
‫האנרגיה אינה מתחלקת בין כל האלקטרונים‪ ,‬אלא מוענקת רק לחלק קטן מהם‪ ,‬אלה‬
‫שהפוטונים פוגעים בהם‪.‬‬
‫אופיינים‬
‫‪ .1‬אופיין הזרם הנמדד כתלות במתח הנופל על התא – עוצמת‬
‫האור ותדירותו קבועים‬
‫‪ i‬זרם‬
‫הופעת זרם רוויה‪ :‬ממתח חיובי מסוים‬
‫ואילך הגדלת המתח לא משפיעה על‬
‫הזרם כי כל האלקטרונים שנפלטו מהפולט‬
‫הגיעו לקולט‪.‬‬
‫מתח עצירה ‪ : V0‬המתח שממנו ואילך לא‬
‫יגיעו אלקטרונים לקולט ולכן לא יימדד‬
‫זרם‪.‬‬
‫‪E K  E P  E K max  eV0‬‬
‫‪ V‬מתח‬
‫‪-V0‬‬
‫‪ .2‬אופיין של אור מונוכרומטי בעוצמות שונות‬
‫הגדלת עוצמת האור הגדילה‬
‫את זרם הרוויה‬
‫אך לא השפיעה על מתח‬
‫העצירה‬
‫הגדלת עוצמת האור‬
‫הגדילה את מספר האלקטרונים‬
‫הנפלטים אך לא שינתה את‬
‫האנרגיה הקינטית המקסימאלית‬
‫של כל אלקטרון‪.‬‬
‫האנרגיה הקינטית המקסימאלית של אלקטרון נפלט‪ ,‬כתלות‬
‫בתדירות האור הפוגע‪ ,‬עבור מתכות שונות‪.‬‬
‫‪EKmax‬‬
‫קיימת תדירות סף ‪: fo‬‬
‫כדי שאלקטרון יפלט מהמתכת‬
‫ונמדוד זרם במעגל‪ ,‬תדירות‬
‫האור הפוגע צריכה להיות גדולה‬
‫מתדירות סף שאופיינית לכל‬
‫מתכת ‪ -‬ללא כל השפעה של‬
‫עוצמת האור הפוגע‪.‬‬
‫התלות בין האנרגיה הקינטית‬
‫המקסימאלית של אלקטרון נפלט‬
‫והתדירות לינארית והשיפוע‬
‫קבוע ללא תלות במתכת‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪0‬‬
‫‪0‬‬
‫‪0‬‬