‫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(‬