האפקט הפוטואלקטרי

‫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(‬