docהאפקט הפוטואלקטרי
download 
Report Transcription
האפקט הפוטואלקטרי
האפקט הפוטואלקטרי מטרות הניסוי: • • • הכרת האופי החלקיקי של האור כפי שהוא מתבטא באפקט הפוטואלקטרי מדידת קבוע פלנק הכרת התא הפוטואלקטרי ותכונותיו ספרות D. Halliday, R. Resnick, and J. Walker, Fundamentals of Physics, 6th ed., Wiley, 2001. M. Alonso and E. J. Finn, Fundamental University Physics, 2nd ed., Addison-Wesley, 1983. Berkeley Physics Course, vol. 4, Quantum Physics, McGraw-Hill, 1971. מבוא האפקט נצפה לראשונה בשנת 1887ע"י היינריך הרץ שגילה כי התפרקות חשמלית בין שתי אלקטרודות תקרה בפוטנציאל נמוך יותר ,אם האוויר שביניהן יוקרן על ידי מקור אור בתחום האולטרה-סגול .מאוחר יותר מצאו חוקרים ,כי טבלת מתכת מבודדת טעונה שלילית ,תתפרק במהירות ממטענה לכשתואר באור אולטרה-סגול ,ולבסוף אף תמצא טעונה חיובית .לאחר גילוי האלקטרון ב ,1897 -נתברר כי ניתן להסביר תופעות אלה בפליטת אלקטרונים ממשטחי המתכת בהשפעת אור המוקרן עליהם .אולם ,התורה הגלית של האור לא הצליחה לתאר היטב את התוצאות הנצפות של האפקט .בשנת 1905הסביר איינשטיין את התופעה בעזרת הנחת הקוונטיזציה של הקרינה האלקטרומגנטית .איינשטיין הבין כי בנסיבות מסוימות יש להתייחס אל האור כאל אלומת חלקיקים .האופי החלקיקי של האור מסביר את כל התוצאות הנצפות של האפקט. שאלות הכנה: .1 .2 .3 .4 .5 .6 הסבירו כיצד לפי התורה הגלית של האור תתכן פליטת אלקטרונים ממשטח מתכת המוקרן על ידי אור. מהן התוצאות הניסיוניות של האפקט הפוטואלקטרי ומדוע התורה הגלית אינה מסוגלת להסבירן? כיצד האופי החלקיקי של האור מסביר את כל אחת מהתוצאות הנצפות? תארו באופן כללי את המערכת הניסיונית בה משתמשים למדידת הזרם והאנרגיה הקינטית המקסימלית של האלקטרונים הנפלטים מהקתודה של התא הפוטואלקטרי. הסבירו מדוע הופכים את המתח המופעל בין קטבי התא. סכמו כיצד תלויים עוצמת הזרם והאנרגיה הקינטית המרבית של האלקטרונית הנפלטים בעוצמת האור ובתדירותו. • • • רשימת ציוד: .1מנורת כספית .2ספק מתח למנורת הכספית .3מערכת פילטרים .4תא פוטואלקטרי .5ספק מתח משתנה 0V - 60V .6מקור מתח קבוע )3V (DC .7מדי מתח וזרם נגדים )כולל נגד משתנה( ביצוע הניסוי: התא הפוטואלקטרי בו תשתמשו הינו שפופרת חתומה שבתוכה קתודה רגישה לאור )פוטו- קתודה( ,עשויה מחומר בעל פונקצית עבודה נמוכה )צזיום -אנטימוניד במקרה שלנו(, ואנודה לקליטת האלקטרונים .האור הנופל על הקתודה החצי גלילית גורם לפליטת אלקטרונים הנמשכים אל האנודה או נדחים ממנה בהתאם למתח החשמלי שבין האנודה לקתודה .אם ייפול אור על האנודה עלול להיווצר זרם נוסף בלתי רצוי .בכדי להקטין זרם זה מוסתרת האנודה בפיסת חומר אטום לאור. כמקור אור משמשת מנורת כספית הפולטת אור במספר אורכי גל נפרדים .לבחירת אורכי הגל הרצויים יש להשתמש במסנן אופטי שיוצב לפני התא ,בצמוד אליו ככל האפשר. המסננים שברשותכם הם בעלי איכות גבוהה .משטחי פניהם מצופים )משני הצדדים( צפוי יקר ולכן יש לנהוג בהם בזהירות רבה ,ואין לגעת בהם ביד .פילטרים אלה מתאימים לאורכי גל אופייניים בספקטרום של מנורת הכספית .אורך הגל המתאים רשום עליהם בננו-מטרים. לאורך כל הניסוי הצמד את סט הפילטרים אל התא .זכור להסיר את חסם האור שלפני הפילטר לפני המדידות .אין למדוד מתח ישירות על התא אלא אם כן נאמר מפורשות לעשות כך. - 1קבלת אופיין התא עבור אורכי גל שונים בנו את המעגל המתואר בציור .הצמידו את המנורה אל התא ככל האפשר ,כשביניהם פילטר ה .4340Å -הדליקו את המנורה והשגיחו שהאור ייפול על הקתודה באופן מרבי .מדדו את המתח הנופל על התא ואת הזרם העובר דרכו כשמשנים באיטיות את מתח המקור מ 0V -ל- .60Vניתן למצוא את הזרם העובר דרך התא על ידי מדידת המתח הנופל על הנגד. שרטטו את האופיין של התא )הזרם העובר דרך התא כפונקציה של המתח הנופל עליו( . שימו לב :בצעו מדידות צפופות יותר בחלק הליניארי של האופיין .חזרו על המדידות עם שאר הפילטרים. - 2תלות הזרם במרחק מקור האור מהתא החזירו את הפילטר ) 4340Åבלבד!( ומדדו את זרם הרוויה כשאתם משנים את המרחק בין המנורה לתא .מדדו בכמה מרחקים של עד כ 50-ס"מ מהתא .וודאו שבידכם מספיק מדידות להמשך .ערכו טבלה של זרם כפונקציה של המרחק .הקפידו על יחידות הנכונות. - 3מדידת המתח העוצר חברו את המעגל הבא: קתודה אנודה ספק מתח 3V נגד 1MΩ פוטנציומטר עכשיו הצד החיובי מחובר לקתודה ,ואילו השלילי – לאנודה כוונו את הפוטנציומטר עד ( מתאפס .במצב זה המתח על השפופרת שהזרם דרך השפופרת )המתח על פני הנגד )הנמדד על ידי הוולטמטר ( הוא מתח העצירה אחד מן המסננים וערכו טבלה של כפונק' .מדדו את מתח העצירה עבור כל ,כאשר lambdaהוא אורך הגל : למה שווה מטען האלקטרון ביחידות אלה ? חשבו את הערך התיאורטי עבור קבוע פלנק. - 4מדידת פונקצית העבודה של התא ) ( Φ בחלק הזה אתם ממשיכים להשתמש במעגל הקודם .מטרתו של חלק הזה היא למדוד את הקטע הלינארי )בקירוב טוב( של האופיין: )I (ampres קירוב לינארי מתח עצירה נקודת חיתוך )V (volts 3 2 1 ?1 ?2 ?3 מצאו התאמה לינארית לקטע הנ"ל ,ומתוך משוואת הישר חשבו את נקודת החיתוך אשר קרובה למתח העצירה האמיתי. על מנת לקבל את האופיין ,התחילו ממתח מקסימלי ) (-3 voltושנו בהדרגתיות את המתח עד שיתאפס ורשמו את הערכים .הפכו את קוטביות הספק והמשיכו למדוד. חזרו על המדידות עבור כל אחד מהמסננים. הערה חשובה :המספרים המופיעים בשרטוט הם להמחשה בלבד! עבוד התוצאות: - 1קבלת אופיין התא עבור אורכי גל שונים • על סמך מדידותיכם בחלק זה ,שרטטו על אותה מערכת צירים את האופיין ,עבור כל פילטר. שקיבלתם • הסבירו מדוע הזרם בתא הפוטואלקטרי מגיע לרוויה ,ומהן הסיבות להבדלים בין זרמי הרוויה באורכי הגל השונים. - 2תלות הזרם במרחק מקור האור מהתא • על סמך מדידותיכם בחלק זה ,שרטטו את הגרף של זרם הרוויה כפונקציה של מרחק המנורה מהתא .הסבירו את תלות זרם הרוויה במרחק • מצאו את החזקה ,כאשר – Iזרם הרוויה וr - • • • מרחק מן המנורה עד לתא הפוטואלקטרי .הציעו שתי שיטות למציאת החזקה ובחרו בטובה יותר )הסבירו מדוע בחרתם דווקא בשיטה הזאת( השוו את הערך שקבלתם לערך התיאורטי )מהו ?( הקפידו על השגיאות ,על בחירה נכונה )כולל הסברים( של שיטת ההתאמה. חשבו את מספר הפוטונים המגיעים לתא בשניה ,עבור שלושה מן המרחקים שקבעתם בחלק זה )הניחו שנצילות התא היא ,5%כלומר 5%מהפוטונים הפוגעים בקתודה גורמים לשחרור אלקטרונים(. המוגדרת כ - - 3מדידת המתח העוצר • על סמך מדידות בחלק זה ,שרטטו את הגרף של המתח העוצר כפונקציה של • חשבו את ערכו של קבוע של פלנק ואת פונקצית העבודה של התא . - 4מדידת פונקצית העבודה של התא ) ( Φ • • • • שרטטו את חלקו התחתון של האופיין והתאימו את הקטע הלינארי של האופיין .מתוך הקו מצאו את ערכו של המתח העוצר עבור כל אורך הגל. מצאו את פונקצית העבודה של התא. שרטטו גרף של פונקצית העבודה Φכפונק' של אורך הגל .הסבירו את הגרף. השוו את התוצאות לערך שקיבלתם בחלק .3 תמונת המערכת ) :בעמוד הבא(
