Zjawisko fotoelektryczne

Zagadnienia

Światło
Mechanika kwantowa
Fotony

Opis

Symulacja Zjawisko fotoelektryczne przedstawia wirtualne odwzorowanie fotoelektrycznego eksperymentu Millikana.

Źródło: KCVS.

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji PhET/java, Teacher Tips (Sam McKagan, kwiecień 2011) oraz materiały KCVS

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

Poziom

Szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

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.

Przykładowe materiały teoretyczne

Zewnętrzny efekt fotoelektryczny i jego zastosowanie (ZPE)
Efekt fotoelektryczny zewnętrzny (ZPE)
Efekt fotoelektryczny (Khan Academy)
Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne (e-fizyka)
Efekt fotoelektryczny (OpenStax)

Sterowanie symulacją

Ekran symulacji

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

Złożone sterowanie

Długość fali i częstotliwość padających na katodę fotonów można zmienić na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest przesunięcie górnego suwaka przez przeciąganie go wzdłuż widma albo kliknięcie w dowolnym miejscu tego widma. Drugi sposób polega na bezpośrednim wpisaniu długości fali w pole tekstowe.
Liczbę fotonów docierających do katody w jednostkowym czasie można zmienić za pomocą suwaka Natężenie światła lub przez ręczne wprowadzenie do pola tekstowego, udostępnianego za pomocą przycisku "#". W rzeczywistym laboratorium, odpowiada temu otwieranie (zwiększenie gęstości fotonów) i zamykanie (zmniejszenie gęstości fotonów) przesłony umieszczonej pomiędzy źródłem światła, a katodą.
Napięcie można zmienić za pomocą suwaka Napięcie lub przez ręczne wprowadzenie do pola tekstowego, udostępnianego za pomocą przycisku "#". Aby znaleźć napięcie hamowania, zacznij od napięcia ustawionego na 0 V, a następnie powoli zwiększaj je aż wskazanie amperomierza wyniesie 0pA. Po osiągnięciu napięcia hamowania, ładunki nie docierają już do anody, ponieważ pole elektryczne wytworzone w lampie, po włączeniu zasilacza, spowalnia elektrony i zawraca do katody.
Każde naciśnięcie przycisku Zapisz pomiar powoduje odczytanie aktualnych parametrów i ich zapis w tabeli danych: numer próby, materiał użytej katody, napięcie (w woltach), natężenie prądu (w pikoamperach), częstotliwość (w hercach), długość fali (w nanometrach). Dostęp do danych uzyskujemy przez kliknięcie przycisku Pokaż dane lub w menu Opcje. Gdy tabela danych jest otwarta, można pobrać plik CSV, klikając przycisk Pobierz CSV, znajdujący się na dole tabeli. Aby skasować dane, przejdź do menu Opcje, a następnie kliknij przycisk Usuń dane.
Domyślnym materiałem katody jest sód. Możemy go zmienić w rozwijanym menu Metale, znajdującym się w menu Opcje. Nazwa wybranego materiału jest wyświetlana tuż poniżej katody.

Spostrzeżenia na temat korzystania z aplikacji przez uczniów

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.

Uproszczenia / założenia modelu

W symulacji jako separator dziesiętny stosowana jest kropka.
Jak każdy model, także ten aplet jest uproszczeniem realnego świata, koncentrującym się jedynie na wybranych aspektach. W tym przypadku uproszczenia dotyczą animacji ale dane - związek między częstotliwością, napięciem i natężeniem prądu - są dokładne.
Elektrony nie są emitowane z tą samą energią. Niektóre są głębiej w metalu niż inne i zanim opuszczą katodę, w wyniku zderzeń po drodze tracą trochę energii. Tak więc elektrony opuszczające metal mają cały zakres energii, od energii maksymalnej w dół, prawie do zera. To dlatego natężenie prądu zmienia się przy zmianie napięcia; napięcie określa wielkość energii, jaką musi mieć elektron, żeby dotrzeć do anody i im jest większe tym mniej elektronów tego dokona. W animacji prąd (liczba elektronów docierających do anody w jednostce czasu) jest stały dopóki napięcie nie będzie na tyle duże, aby wyhamować wszystkie elektrony i wtedy spada gwałtownie do zera.
Elektrony w rzeczywistości opuszczają metal we wszystkich kierunkach, a nie tylko w linii prostej w kierunku anody. Tylko elektrony docierające do anody wpływają na wielkość prądu. Wiąże się z tym kolejny sposób, w jaki napięcie wpływa na prąd; nawet jeśli elektron ma wystarczająco dużą energię, jeśli nie biegnie w odpowiednim kierunku, to nie dotrze do anody, przy czym te o niższych energiach są odchylane bardziej. Co ciekawe, oznacza to, że jeśli odwrócić bieguny napięcia, natężenie prądu będzie wzrastać, gdyż anoda przyciąga także te elektrony, które przy mniejszym napięciu by w nią nie trafiły (aplet nie zawiera tej opcji). Maksymalne natężenie prądu uzyskamy przy napięciu na tyle dużym, żeby zebrać wszystkie elektrony wybite z katody, bez względu na to, w którym kierunku były emitowane.
Przyjęte wartości pracy wyjścia elektronów z pierwiastków (eV) na podstawie Wikipedia: Aluminium 4,08, Beryl 4,98, Kadm 4,08, Wapń 2,87, Węgiel 4,81, Cez 2,14 , Kobalt 5, Miedź 4,7, Złoto 5,1, Żelazo 4,7, Ołów 4,25 , Magnez 3,66, Rtęć 4,5, Nikiel 5,1 , Niob 4,3, Potas 2,3, Platyna 5,3, Selen 5,9, Srebro 4,73, Sód 2,36 , Uran 3,6, Cynk 4,3.
Długość fali (i odpowiednio częstotliwość) jest ograniczona do zakresu między 200 nm i 800 nm.
Menu Zasoby zawiera linki do przydatnych materiałów dotyczących teorii i zagadnień związanych z efektem fotoelektrycznym. Link Historia zawiera informacje o przebiegu badań istotnych dla wyjaśnienia tego efektu. Link Badania otwiera wprowadzenie do teorii i kluczowych pojęć związanych z tym zjawiskiem. Przykładowe problemy sprawdzą Twoją wiedzę z kilku zagadnień. Do każdego problemu dołączone są rozwiązania. Symulowany eksperyment pokazuje cel i zagadnienia, które miał wyjaśnić eksperyment fotoelektryczny Millikana. Linki do literatury zawierają kilka przydatnych linków, takich jak wykład noblowski Roberta Millikana (1923), w którym szczegółowo opisuje swój eksperyment.

Sugestie dotyczące wykorzystania

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).

Przykładowe polecenia

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 Zjawisko fotoelektryczne tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).