Efekt fotoelektryczny

Symulacja Efekt fotoelektryczny przedstawia wirtualne odwzorowanie fotoelektrycznego eksperymentu Millikana.

Źródło: Vladimír Vaščák, za zgodą autora.

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Szkoła średnia

Zwizualizuj i opisz eksperyment z efektem fotoelektrycznym.
Poprawnie przewiduj wyniki eksperymentów efektu fotoelektrycznego: np. jak zmiana natężenia światła wpłynie na natężenie prądu i energię elektronów, jak zmiana długości fali światła wpłynie na natężenie prądu i energię elektronów, jak zmiana napięcia między płytkami wpłynie na natężenie prądu i energię elektronów, jak zmiana materiału tarczy wpłynie na natężenie prądu i energię elektronów.
Opisz, jak te wyniki prowadzą do fotonowego modelu światła: np. argumentuj, że tylko fotonowy model światła może wyjaśnić, dlaczego, gdy światło pada na metal, ale nie ma prądu, zwiększenie częstotliwości doprowadzi do powstania prądu, ale zwiększenie natężenia światła lub napięcia między płytkami już nie.

Zobacz, jak światło wybija elektrony z metalowego celu i odtwórz eksperyment, który zapoczątkował mechanikę kwantową.

Domyślnym materiałem katody jest cez. Możemy go zmienić w rozwijanym menu. Wyświetlany jest symbol wybranego pierwiastka wraz z progową długością fali, powyżej której efekt fotoelektryczny nie zachodzi.
Liczbę fotonów docierających do katody w jednostkowym czasie można zmienić przeciągając suwak natężenia światła, znajdujący się pod wyświetlaną długością i częstotliwością fali lub klikając obok strzałki w przewijanym okienku, w którym wyświetlana jest względna wartość tego natężenia (wyrażona w procentach). W rzeczywistym laboratorium, odpowiada temu otwieranie (zwiększenie gęstości fotonów) i zamykanie (zmniejszenie gęstości fotonów) przesłony umieszczonej pomiędzy źródłem światła, a katodą.
Długość fali i częstotliwość padających na katodę fotonów można zmienić przesuwając górny suwak przez przeciąganie go wzdłuż widma.

Badania (R. N. Steinberg, G. E. Oberem, and L. C. McDermott, “Development of a computer-based tutorial on the photoelectric effect,” American Journal of Physics 64, 1370 (1996).) pokazują, że uczniowie często mają trudności ze zrozumieniem podstawowego obwodu związanego z efektem fotoelektrycznym. Na przykład, uczniowie mogą myśleć, że to napięcie, a nie światło sprawia, że elektrony odrywają się od elektrody, lub próbować stosować zależność U = IR. Warto poświęcić trochę czasu na rozwiązanie tego typu trudności uczniów.
Wielu uczniów ma trudności ze zrozumieniem związku między natężeniem prądu a prędkością elektronów. Nasi uczniowie często toczą gorące dyskusje na temat tego, czy zwiększenie prędkości elektronów prowadzi do wzrostu natężenia prądu. Symulacja jest kluczowym narzędziem w rozwiązywaniu tych debat, ponieważ uczniowie mogą zobaczyć z bliska, że zwiększenie prędkości elektronów nie zwiększa liczby elektronów docierających na sekundę do elektrody, a zatem nie zwiększa natężenia prądu.
W wywiadach stwierdziliśmy, że nawet uczniowie bez doświadczenia w naukach ścisłych byli w stanie zrozumieć, jak przebiega eksperyment z efektem fotoelektrycznym, bawiąc się tą symulacją, ale potrzebowali dalszych wskazówek, aby zrozumieć implikacje eksperymentu dla korpuskularnego modelu światła.

W symulacji jako separator dziesiętny stosowana jest kropka.
Dla uproszczenia założono, że wszystkie elektrony są wyrzucane z takimi samymi energiami, prostopadle do elektrody i każdy foton o częstotliwości większej niż częstotliwość progowa powoduje uwolnienie elektronu.

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Zalecamy stosowanie badań ukierunkowanych, aby pomóc uczniom „odkryć” model światła, który wyjaśnia zachowanie widoczne w symulacji.
Koncepcję potencjału hamującego można zademonstrować w bardzo spektakularny sposób, pokazując, że jeśli ustawisz napięcie baterii tuż poniżej potencjału hamującego, elektrony po prostu dotrą do przeciwległej płyty i zawrócą. Często wywołuje to rozbawienie uczniów, gdy widzą to po raz pierwszy.
Poproś uczniów, aby wymyślili sposób wykorzystania symulacji do określenia stałej Plancka.
Zapytaj uczniów, jak zmieniłby się wykres zależności natężenia prądu od napięcia, gdyby nie zastosowano uproszczenia polegającego na wyrzucaniu elektronów tylko prostopadle do płytki. (Wykres zrównałby się przy pewnym dodatnim napięciu, nie zaś przy 0 V, ponieważ więcej elektronów wyrzucanych pod ostrym kątem zostałoby przyciągniętych z powrotem do dodatniej elektrody).

Co się dzieje w symulacji, kiedy zmieniasz światło z czerwonego na niebieskie?
Załóżmy, że czerwone światło nie uwalnia elektronów z badanego metalu. Czy zmiana natężenia światła umożliwiłaby uwalnianie elektronów? Wyjaśnij.
Dlaczego różne metale mają różne częstotliwości progowe?
Jakie właściwości ma metal, który ma dużą pracę wyjścia?
Jaki jest związek między maksymalną energię kinetyczną fotoelektronów wyrzucanych z określonego metalu, a częstotliwością padającego światła?
Znajdź napięcie hamowania, maksymalną energię kinetyczną i maksymalną szybkość elektronów emitowanych z określonej katody.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Efekt fotoelektryczny tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).