Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

Μία φρεσκογυαλισμένη και αρνητικά φορτισμένη πλάκα ψευδάργυρου αποφορτίζεται αν εκτεθεί σε υπεριώδη ακτινοβολία. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φωτοηλεκτρικό.

Προς το τέλος του 19ου αιώνα έρευνες είχαν δείξει ότι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο εκδηλώνεται και με άλλα υλικά, αλλά μόνον όταν είναι αρκετά μικρό το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Το φαινόμενο παρατηρείται κάτω από ένα ορισμένο μήκος κύματος-κατώφλι, το οποίο είναι χαρακτηριστικό του υλικού. Αποτελούσε μυστήριο το γιατί μία ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος, έστω και ισχυρής έντασης, δεν έδινε ανάλογα αποτελέσματα.

Τελικά την εξήγηση έδωσε το 1905 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν: το φως αποτελείται από σωμάτια, τα φωτόνια, και η ενέργεια ενός φωτονίου είναι ανάλογη της συχνότητας του φωτός. Ανάλογα με το υλικό είναι αναγκαία μία ορισμένη ποσότητα ενέργειας (έργο εξαγωγής) για να αφαιρεθεί ένα ηλεκτρόνιο από την επιφάνεια μίας πλάκας ψευδαργύρου ή άλλου στερεού. Αν η ενέργεια ενός φωτονίου είναι μεγαλύτερη απ’ αυτήν την ποσότητα εκπέμπεται το ηλεκτρόνιο. Αποτέλεσμα όλων αυτών είναι ο ακόλουθος τύπος:

Eκιν   =   h f   –   W

Eκιν ... μέγιστη κινητική ενέργεια εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου
h ..... σταθερά του Πλανκ (6,626·10-34 J.s)
f ..... συχνότητα
W ..... έργο εξαγωγής

Εδώ προσομοιώνεται ένα πείραμα για τον προσδιορισμό της σταθεράς του Πλανκ και του έργου εξαγωγής: μία μονοχρωματική δέσμη λαμβάνεται μέσω φίλτρου από το φως λαμπτήρα ατμών υδραργύρου. Αυτό το φως προσπίπτει στην κάθοδο (C) ενός φωτοηλεκτρικού κυττάρου και ενδεχομένως προκαλεί εκπομπή ηλεκτρονίων. Για τον προσδιορισμό της μέγιστης ενέργειας των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων εφαρμόζεται μέσω ποτενσιόμετρου τάση υστέρησης η οποία εμποδίζει τα ηλεκτρόνια να φτάνουν στην άνοδο (Α). Το μπλε βολτόμετρο δίνει την τιμή αυτής της τάσης. Μπορείτε να δείτε χάρις στο κόκκινο βολτόμετρο αν τα ηλεκτρόνια φτάνουν στην άνοδο.

Με τα μενού δεξιά μπορείτε να αλλάξετε το υλικό της καθόδου, το μήκος κύματος και την τάση υστέρησης. Οι παρακάτω τιμές αναφέρονται στη συχνότητα του φωτός και στο ενεργειακό ισοζύγιο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων φαίνονται στο διάγραμμα τάσης-συχνότητας κάτω αριστερά., και μπορούν να διαγραφούν με το κουμπί Διαγραφή Μετρήσεων.

Η εκτίμηση τριών σειρών μετρήσεων χάρις στο διάγραμμα θα έχει ως αποτέλεσμα τρεις παράλληλες γραμμές. Από την κλίση αυτών των γραμμών υπολογίζεται η σταθερά του Πλανκ (h). Μπορείτε επιπλέον να μετρήσετε το έργο εξαγωγής που αντιστοιχεί στο υλικό της καθόδου στο σημείο τομής με τον κάθετο άξονα (σε eV, δηλαδή electron-volt).

Κάτω από τα βολτόμετρα εμφανίζονται συμβουλές για την πειραματική διαδικασία.

 

 
Φυσική
Physics Applets

URL: http://www.walter-fendt.de/ph14gr/photoeffect_gr.htm
© Walter Fendt, February 20, 2000
© Greek version: WebLab NHRF 2000
Last modification: November 8, 2005