האפקט הפוטואלקטרי

האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי ronenhe » 19:15 11/10/2010

רונן הרשמן
ronenhe
 
הודעות: 182
הצטרף: 10:27 28/10/2009

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי sasi » 20:00 12/10/2010

רונן הרשמן, גלעד ארליכמן וששי וזיק.
sasi
 
הודעות: 24
הצטרף: 19:53 12/10/2010

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי ronenhe » 16:24 13/10/2010

גלעד ארליכמן וששי וזיק. אנחנו מגישים בשלישייה? אם כן נעים להכיר :)
ronenhe
 
הודעות: 182
הצטרף: 10:27 28/10/2009

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי sasi » 00:32 14/10/2010

שלום שלום :)
sasi
 
הודעות: 24
הצטרף: 19:53 12/10/2010

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי ronenhe » 00:56 14/10/2010

הממ.. עדיין אני לא מבין אם מגישים בשלישייה..
דורון כהן אישר את העניין? דיברתם איתו על זה בכלל?
אם כן תהיו איתי בקשר..
בהצלחה :)
נערך לאחרונה על ידי ronenhe בתאריך 16:10 30/06/2012, נערך 2 פעמים בסך הכל.
ronenhe
 
הודעות: 182
הצטרף: 10:27 28/10/2009

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי noytom » 22:59 16/10/2010

תומר נוי
noytom
 
הודעות: 4
הצטרף: 22:55 16/10/2010

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי ronenhe » 19:23 18/10/2010

סוכם ע"י רונן הרשמן ואביתר מור יוסף:

הסבר כללי לתופעה
האפקט הפוטואלקטרי הוא תופעה של פליטת אלקטרונים ממתכת ע"י הקרנת אור או קרינה אלקטרומגנטית אחרת על פניה.
תופעה זו התגלתה בשלהי המאה ה19 וקיבלה הסבר פיסיקאלי בתחילת המאה ה20 ע"י הסתכלות שונה על האור -לא כגל אלא כאוסף של חלקיקים הנושאים עימם קוונטות של אנרגיה.

הסבר האפקט והסתירות לפיזיקה הקלאסית הנובעות ממנו
האלקטרונים במתכת מוחזקים ע"י כוחות חשמליים ובטמ"פ החדר כאשר האפקטיים התרמים בחומר זניחים, דרושה אנרגייה מינימלית על מנת לשחרר אותם מהמתכת. גודל האנרגיה המינימלית נקראית פונקציית העבודה והאלקטרונים הנפלטים מהמתכת נקראים פוטואלקטרונים.
מספר האלקטרונים הנפלט בכל רגע נתון מהקתודה קבוע ותלוי רק בעוצמת האור המוקרן מאחר וזרם האלקטרונים לא יוכל להגיע לאינסוף בשלב מסוים יגיע לזרם מקסימלי הנקרא זרם הרוויה. במצב זה כל אלקטרון הנפלט מהקתודה יגיע בסופו של דבר, עקב המתח שמושך אותו, אל האנודה.
אחת הדרכים לשחרור האלקטרונים הוא באמצעות הקרנת אור מונוכרומטי (בעל תדירות יחידה) על המתכת. אם תדירות האור הפוגע במתכת קטנה מתדירות מסויימת הנקראית תדירות הסף (מסומנת ב- ) לא תתרחש פליטת אלקטרונים מפני המתכת. במצב זה גם אם נגדיל את עוצמת האור ונחכה זמן רב לא ייפלטו אלקטרונים מפני המתכת. אם התדירות גדולה מתדירות הסף האלקטרונים ייפלטו מהמתכת כמעט באופן מיידי אפילו אם עוצמת האור יחסית נמוכה.
אולם, קיים הפרש מתחים בין הקתודה לאנודה (בתוך שפופרת פוטואלקטרית) שעבורו לא יהיה זרם בשפופרת בכלל גם אם תוקרן השפופרת בגל עם תדירות הגורמת לפליטת אלקטרונים. הפרש מתחים זה הנקרא מתח העצירה ומסומן ב- אינו תלוי בעוצמת הגל אלא בתדירותו ובסוג המתכות מהן עשויות האנודה והקטודה.

*גרפים להמחשה בנספח

תכונות אלו של האפקט לא יכולים להיענות ע"י התורה הקלאסית אשר מתייחסת לאור כאל גל. (מה שמתיישב עם תופעות פיזיקאליות אחרות כמו התאבכות ועקיפה)

ההסבר המודרני
ב1905 הסביר איינשטיין את התופעה, שעד אז הייתה בגדר תעלומה (מפני שלא התיישבה עם תורת הגלים) ועל כך זכה בפרס נובל. הסברו של איינשטיין תרם רבות לפיסיקה המודרנית בכלל ולתורת הקוונטים בפרט.
איינשטיין הצליח להסביר את תופעת האפקט הפוטואלקטרי ע"י הסתכלות שונה לחלוטין על האור. הוא טען כי אנרגיית האור אינה רציפה אלא בדידה.
למעשה, האור מורכב מחלקיקים נושאי אנרגיה (וחסרי מסה) בשם פוטונים. הפוטון נושא עימו כמות קטנה של אנרגיה או במילים אחרות "קוונט" של אנרגיה.
כך שהאנרגיה של פוטון תלויה בתדירות האור: .
כאשר:
- תדירות הגל האלקטרו מגנטי.
-

הקבוע () הוא אותו קבוע שהכניס פלאנק על מנת להסביר את תופעת קרינת הגוף השחור פלאנק האמין שהאור, למרות שנפלט בצורה בלתי רציפה ,נע במרחב בצורת גל אלקטרומגנטי.
איינשטיין למעשה הרחיב את השערתו של פלאנק לכל המצבים ולא רק לרגע הפליטה.

לאלקטרונים במתכת ב ° אנרגיות מ 0 עד ערך מסוים הנקרא רמת פרמי () (ה-0 ייקבע מחוץ למתכת.).

כדי לשחרר את אותם אלקטרונים שלהם אנרגיה ( ) דרושה אנרגיה בשיעור (פונקצית העבודה). כאשר:
כלומר, האנרגיה של הפוטון הדרושה לשחרר אלקטרון מהמתכת הינה:

אם אנרגיית הפוטון גדולה (או שווה) מפונקצית העבודה ( ) של המתכת ייפלט האלקטרון. והאנרגיה העודפת של הפוטון שלא שימשה לניתוק הקשר בין המתכת לאלקטרון תהפוך לאנרגיה קינטית.
במידה ואנרגיית הפוטון קטנה מפונקצית העבודה ( ) לא ייפלט האלקטרון (אולם ייתכנו מעברים בין רמות אנרגיה שונות במתכת).
ניתן להמחיש תהליך זה באמצעות האיור הבא:

תמונה

ניתן לתאר קשר זה בעזרת נוסחאת איינשטיין:



כאשר:
- זוהי אנרגיית העבודה.
-האנרגיה הקינטית המקסימלית המתאפשרת.

למעשה, ניתן לראות שלא קיימת תלות בין עוצמת השדה האלקטרומגנטי לבין אנרגית הפוטון. מכאן שהסיבה לאפקט הפוטו אלקטרי היא שבעת התנגשות פוטון באלקטרון, הפוטון מעביר לאלקטרון את האנרגיה והתנע (התנגשות אלסטית) שלו ונבלע באלקטרון.

תמונה

יכול להמדד במערכת הניסוי הבאה:
תמונה

המערכת המורכבת משתי אלקטרודות, "אנודה" ו-"קתודה", הנמצאות בשפופרת ריק ,נחבר את האנודה לקוטב השלילי של מקור המתח ואת הקתודה לקוטב החיובי.האלקטרודות מחוברות ביניהן בעזרת חוט מוליך ובו אמפרמטר ומקור מתח שניתן לשינוי.
האלקטרודות מצויות בשפופרת ריק מכיוון שבאוויר אלקטרון לא יכול להתקדם מרחק רב ולכן אילולא נעשה הניסוי בשפופרת ריק לא היה נמדד זרם באמפרמטר.
על הקתודה מקרינים אור מונוכרומטי וכתוצאה מכך נוצר בתנאים מסוימים זרם במעגל.היינו תהליך שבו אור (פוטו) הופך לחשמל (אלקטרי).

האלקטרונים הנפלטים מן הקתודה נדחים מן האנודה ומאבדים מהירות.כאשר נגדיל את המתח בין האלקטרודות נגיע למצב בו כל אלקטרון שנפלט מהקתודה לא יגיע לאנודה.
כדי לעצור את האלקטרונים משתמשים בכוח חשמלי ומכאן שהאנרגיה הקינטית הופכת לאנרגיה פוטנציאלית חשמלית.
כלומר:
כאשר:
- מטען האלקטרון
- המתח בין האלקטרודות.
- מסת האלקטרון
- מהירות האלקטרון

המתח המינימלי שגורם לזרם אפס באמפרמטר נקרא "מתח עצירה".
מאחר וכל האנרגיה הקינטית של האלקטרון הופכת לאנרגיה פוטנציאלית חשמלית נסיק כי האנרגיה הקינטית המקסימלית שהייתה לאלקטרון שווה לאנרגיה הפוטנציאלית החשמלית. כלומר:


מכאן שנוסחאת איינשטיין יכולה להכתב בצורה הבאה:
.
*גרף בנספח

ומכאן שמתחת העצירה הינו:



ישנן שתי תופעות פיסיקאיות אשר יש לתת עליהן את הדעת:

1.
    פוטנציאל המגע: כאשר שתי מתכות לא טעונות בעלות פונקציות עבודה שונות באות במגע יזרמו אלקטרונים מהמתכת בעלת אנרגית פרמי הגבוהה אל הנמוכה יותר. מעבר זה יטעין את הגופים חשמלית. כעת בין הגופים שורר מתח:
    כאשר:
    - זהו המטען שעבר בין המתכות
    - הינו הקיבול ההדדי

    תהליך זה יעצר כאשר רמות הפרמי של שתי המתכות תשתווינה. במצב זה שווה להפרש הרמות פרמי שהיה לפני מעבר המטען.

    ניתן להמחיש תהליך זה באמצעות האיור הבא:
    תמונה

    בהתחשב בפוטנציאל המגע מתח העצירה ייכתב בצורה הבאה:

    במקרה שלנו
    כאשר היא פונקציית העבודה של אנודה
    ולכן ניתן לכתוב את משוואת איינשטיין בצורה הבאה:

    ולכן כאשר נמדוד את מתח העצירה במעבדה נקבל תוצאה התלוייה בפונקציית העבודה של האנודה בלבד (ולא של הקטודה- טעות נפוצה).

2.
    הזרם האנודי: האור הנופל על השפופרת פוגע לא רק בקטודה אלא גם באנודה כך שגם מהאנודה נפלטים פוטואלקטרונים. אלקטרונים אלו לא יגיעו לקטודה כי היא מספיק שלילית ביחס לאנודה- כאשר המתח באנודה חיובי. אך עבור מתח שלילי הקטודה חיובית ביחס לאנודה והאלקטרונים שנפלטים מהאנודה יזרמו לקטודה כך שהזרם העובר במעגל כתוצאה מהאור הפוגע בשפופרת הינו:

    אם נרצה למצוא מה היה צריך להיות תאור תלות הזרם הקטודי בלבד בגרף , יהיה עלינו (עבור כל מתח נמדד) להוסיף לגרף את הזרם .
    כך שיתקבל הגרף המתואר בקו מרוסק. גרף זה זהה בצורתו לגרף ה"רגיל" וממנו ניתן לקבל את המתח העוצר .
    משתנה עם שינוי המתח אך עבור מתח שלילי קטן () נקבל כי כבר מגיע לערך הרוויה כך שהחל ממתח מסויים אשר נסמנו ב נקבל כי . החל מ והלאה והזרם היחידי הינו זרם הרוויה האנודי. לכן כדי לקבוע את צריך להוסיף לגרף המתואר את ערך הרוויה עד ל , נקודת החיתוך של הקו המרוסק עם ציר המתח נותנת את
    **חשוב לציין כי בניסוי חשוב לאתר את כי החל מ ועד נקבל כי ערכו הכללי של הזרם במעגל הולך וקטן (הקו על המסך הולך ומתקצר) ב- הזרם מתאפס. והחל מ נקבל כי לכן הזרם הינו "שלילי", הקו שהפך לנקודה ב יגדל שוב עד שאורכו יישאר קבוע.
    גרף הזרם כפונרציה של המתח תוך התייחסות לזרם האנודי:
    תמונה



סיכום
כשיש לנו את הכלים האלו ניתן להסביר את תופעה האפקט הפוטואלקטרי:
1.
    גל אלקטרו-מגנטי שהאנרגית הפוטונים שלו נמוכה מפונקצית העבודה לא ישחרר אלקטרון מהמתכת. ומכיוון שהאנרגיה תלויה בתדירות אם לא יפלטו אלקטרונים כלל.
2.
    קיימת אנרגיה קינטית מקסימלית לאלקטרונים הנפלטים באפקט הפוטואלקטרי ואנרגיה זו פרופורציונית לתדירות. לכן אם הפרש המתחים בין האנודה לקתודה מספיק חזק כך שלאלקטרונים אין אנרגיה מספיקה כדי להתגבר עליו. ולא יוצר זרם ולא ייסגר המעגל.
3.
    העברת האנרגיה בין הפוטון לאלקטרון היא מיידית. לכן האלקטרון מיד בעת ההתנגשות.
    מה שמסביר גם את העובדה שעוצמת האור הפרופורציונית למספר הפוטונים קובעת רק כמה אלקטרונים יפלטו.

האפקט הפוטואלקטרי אם כן (בדומה לניסויים אחרים כמו קרינת גוף שחור ואפקט קומפטון) הראו למעשה כי לאור יש תכונות חלקיקיות מה שהוביל את השימוש במושג "דואליות" – גל- חלקיק על מנת לתאר את האור.
בטבלה הבאה מרוכזים מספר תופעות פיזיקאליות הניתנות/ לא ניתנות להסבר ע"י הגדרת האור כחלקיק/ גל.

      תמונה

בבליוגרפיה:
פיסיקה מודרנית מאת ד"ר יורם אשל.
תדריך מעבדה ב' ניסוי פוטואלקטרי.
תדריך מעבדה ב' ניסוי פרנק-הרץ.
http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod1.html
http://physics.nyu.edu/~physlab/Modern_ ... ectric.pdf

נספח:

להלן מספר גרפים המסייעים בהמחשת האפקט:

1.גרף של הזרם כפונקציה של המתח עבור מתכות שונות:
תמונה

2.גרף של הזרם כפונקציה של המתח עבור עוצמות שונות:
תמונה

3.גרף של הזרם כפונקציה של תדירות האור הפוגע:
תמונה


4.הגרף של האנרגיה הקינטית המקסימלית כפונקציה של תדירות האור:
תמונה

במבט על נקודות החיתוך עם הצירים נקבל כי:
• נקודת החיתוך עם ציר ה-x היא תדירות הסף מכיוון שבנקודה זו האנרגיה הקינטית המקסימלית של האלקטרונים שווה לאפס.
• נקודת החיתוך עם ציר ה-y היא פונקצית העבודה מכיוון שבנקודה זו התדירות היא אפס.
נערך לאחרונה על ידי ronenhe בתאריך 14:32 06/01/2011, נערך 111 פעמים בסך הכל.
ronenhe
 
הודעות: 182
הצטרף: 10:27 28/10/2009

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי ronenhe » 02:35 05/01/2011

מוקפץ לאחר עדכון.. :)
ronenhe
 
הודעות: 182
הצטרף: 10:27 28/10/2009

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי dcohen » 08:37 05/01/2011

הסיכום לדעתי לא מספק, ואני מעיז לומר שכולל טעות נפוצה. כיוון שאין אני נסיונאי, כדאי לבדוק את מה שאני אומר עם אחראי המעבדה. תדריך המעבדה http://physweb.bgu.ac.il/COURSES/LAB_B/ ... tric97.pdf הוא די עמום בנקודה זו ואולי אפשר לחשוב ע"ס מה שכתוב בו, שמדידת IV נותנת את "פונקצית העבודה" של המתכת ממנה נפלטים האלקטרונים (ראיתי שיש שם שאלה4 אבל לא ברור לי למה מתכוונים). מה שזכור לי מדוח מעבדה שכתבתי לפני 25 שנה, זה שמודדים זה למעשה את פונקצית העבודה של האנודה. בחיפוש מהיר בגוגל מצאתי את תדריכי המעבדה הבאים שלכאורה תומכים במה שאני זוכר:

http://physics.nyu.edu/~physlab/Modern_ ... ectric.pdf
http://www.princeton.edu/~romalis/PHYS3 ... ectric.pdf

יש פה עניין של contact potential
dcohen
 
הודעות: 2027
הצטרף: 10:13 22/02/2007
מיקום: פיסיקה, חדר 310

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי ronenhe » 03:21 06/01/2011

עודכן שוב (107 פעמים סה"כ..) :)
ronenhe
 
הודעות: 182
הצטרף: 10:27 28/10/2009

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי dcohen » 07:23 06/01/2011

בסדר. אבל בכל זאת חסרה לדעתי בסיכום הפואנטה...
פוטנציאל המגע הוא ההפרש בין פונקצית העבודה של הקטודה והאנודה.
אם נציב נקבל שהקונסטנטה בביטוי של ה IV הוא למעשה
פונקצית העבודה של האנודה ולא זו של הקטודה (שזו כנראה טעות מקובלת).
זה כנראה מה שתמדדו במעבדה (האם שאלתם את המדריכה - שלחתי לה דוא"ל והיא לא ענתה).
dcohen
 
הודעות: 2027
הצטרף: 10:13 22/02/2007
מיקום: פיסיקה, חדר 310

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי ronenhe » 13:07 06/01/2011

לאחר התייעצות עם הסטודנטים של קוונטים 2 ובתקווה שירדנו לסוף דעתך עדכנו את הסיכום
ronenhe
 
הודעות: 182
הצטרף: 10:27 28/10/2009

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי yaacov » 13:23 06/01/2011

שלום לכם
כאשר האור פוגע בשפורפרת הפוטואלקטרית הוא פוגע הן על האנודה והן על הקטודה כך ששניהם למעשה משתתפים באפקט. באופן מעשי לא ניתן להפריד בין הזרם הקטודי לבין הזרם האנודי או למדוד רק אחד מהם. אנו מודדים זרם אחד במעגל שהוא סכום (כל זרם בכיוונו) של הזרמים. ניתן באמצעים שונים להקטין את הזרם האנודי, שהוא למעשה גם צריך להיות קטן מאוד ביחס לפליטה של הקטודה וזאת בשל צורתה הגיאומטרית וכן בשל תכונותיה. בנוסף יש לקחת בחשבון את יעילות הפליטה של הקטודה לעומת זו של האנודה (כלומר בהנחה ש N פוטונים פוגעים בשניהם כמה אלקטרונים אכן באופן מעשי יפלטו מכל אחד מהם ). הדיון כאן מציג מצב מערכת לא אידיאלית בו האנודה פעילה מאוד בפליטת האלקטרונים (דבר שיכול לקרות בדרך כלל בתדרים גבוהים מאוד) ואז אכן בנקודת איפוס הזרם (מתח העצירה) משם ניתן למדוד את ההפרש בין פונקציות העבודה של הקטודה והאנודה. על מנת לחשב את פונקצית העבודה של הקטודה עלנו לדעת את הזרם שפלטה האנודה לבד (ללא קיזוזים של הזרם האנודי ) ולכן יש להוסיף את הזרם האנודי כפי שכתוב בעמוד 10 בתדריך.
בימים אלו ממש פיתחתי למעבדה מערכת של הניסוי הנ"ל די מתוחכמת בו הצלחנו להקטין את הזרם האנודי מאוד (עד כי הזנחה) כך שניתן למעשה לקבל את המצב האידיאלי בו מתח העצירה עוצר את הזרם האנודי וכמעט אין את השפעה של זנב הזרם השלילי (האנודי) על הניסוי. במערכת החדשה של הניסוי יהיה פשוט יותר והמערכת נותנת תוצאות טובות מאוד . מערכת הניסוי והתדריך המעבדה יוחלפו בהתאם וכבר בתחילת הסמסטר הנוכחי. אני מזמין אתכם לבצע את הניסוי ולהתרשם.

בברכה, יעקב ביטון
מרכז המעבדות
yaacov
 
הודעות: 8
הצטרף: 12:00 02/05/2007

Re: האפקט הפוטואלקטרי

הודעהעל ידי ronenhe » 14:33 06/01/2011

עודכן שוב לאחר התייחסות נרחבת להשפעת הזרם האנודי כפי שצויין ע"י יעקוב ביטון.
ronenhe
 
הודעות: 182
הצטרף: 10:27 28/10/2009

Photoelectric effect, a common fundamental error

הודעהעל ידי dcohen » 07:24 03/02/2011

ronenhe כתב:לאחר התייעצות עם הסטודנטים של קוונטים 2 ובתקווה שירדנו לסוף דעתך עדכנו את הסיכום


עשיתי קצת חיפושי רשת וסקרים, ומתברר שאת הטעות לגבי פונקצית העבודה מלמדים כמעט בכל העולם.
אני מצרף לנוחיות הסטודנטים של המחזור את המקורות שמצאתי ברשת לגבי הנושא.
אני קודם נותן קישורים למספר מאמרים, ובהמשך קישורים לתדריכים של מספר מעבדות.
כמו כן יכולה לעזור לכם תכתובת שמתיחסת לציור שהכנתי על מנת להסביר את העניין.

ציור: http://physweb.bgu.ac.il/COURSES/Modern ... ectric.pdf

V = applied voltage = difference in chemical potentials

V_AC = difference in electrostatic potential

V_AC = V + (W_Anode - W_Cathode)

E_kinetic(emission) = omega - W_Cathode

E_kinetic(arrival) = E_kinetic - V_AC = omega - W_Anode

Hence what you measure is W_Anode and not W_Cathode


[0]
Concerning a widespread error in the description of the photoelectric effect
Rudnick J. and Tannhauser D. S.
American Journal of Physics 44(8) 796 (1976)

[1]
Photoelectric effect, a common fundamental error
http://iopscience.iop.org/0031-9120/8/6 ... _6_005.pdf
with some reservations in a published comment:
http://iopscience.iop.org/0031-9120/10/ ... _2_117.pdf

[2]
The Photoelectric Effect: Reconstructing the Story for the Physics Classroom
See Section 2.3 in p.3
http://www.springerlink.com/index/e0hm51r733q64576.pdf

[3]
R. A. Millikan
A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h"
Phys. Rev. 7, 355–388 (1916)
http://prola.aps.org/abstract/PR/v7/i3/p355_1
See discussion of contact potential at the bottom of p.358.

[4]
R. A. Millikan
Einstein's Photoelectric Equation and Contact Electromotive Force
Phys. Rev. 7, 18–32 (1916)
http://prola.aps.org/abstract/PR/v7/i1/p18_1

[5]
http://www.pha.jhu.edu/~c173_608/photoe ... ctric.html

[6]
http://www.princeton.edu/~romalis/PHYS3 ... ectric.pdf
after Eq.(1):
Prove in your lab preparation that if V0 in this equation is the reverse bias you apply, then W is the work function of the anode (not the cathode!).


[7]
http://physics.nyu.edu/~physlab/Modern_ ... ectric.pdf

[8]
https://www.jyu.fi/fysiikka/en/studies/ ... P106_1.pdf
dcohen
 
הודעות: 2027
הצטרף: 10:13 22/02/2007
מיקום: פיסיקה, חדר 310


חזור אל מבוא לפיסיקה מודרנית

מי מחובר

משתמשים הגולשים בפורום זה: אין משתמשים רשומים ואורח אחד

cron