‫שם‪ :‬מאיה פסטרסקי‬ ‫ת‪.‬ז‪683247603 :‬‬ ‫האפקט הפוטואלקטרי ויישומו בגלאי עשן‪:‬‬ ‫מהי תופעת האפקט הפוטואלקטרי?‬ ‫האור הוא גל אלקטרומגנטי בעל אנרגיה‪ .‬כאשר האור פוגע במשטח מתכתי בתדירות גבוהה מספיק‬ ‫‪ , f  f min‬נפלטים פוטו‪-‬אלקטרונים מן המשטח‪ .‬תדר מוגדר כמספר המחזורים לשנייה‪ .‬ההסבר הקלאסי‬ ‫גורס כי האור הוא גל אלקטרומגנטי בעל אנרגיה שאותה הוא מעביר למתכת‪ .‬אנרגיה זו משמשת את‬ ‫האלקטרונים כדי להתגבר על הכוחות האלקטרומגנטיים ולהיפלט מתוך המתכת‪ .‬כפי שיפורט בהמשך‪,‬‬ ‫ההסבר הקלאסי התקשה להסביר את התופעה במלואה‪ .‬איינשטיין‪ ,‬הצליח להסביר את התופעה‬ ‫בתיאוריה חדשה שעל‪-‬פיה הקרינה נפלטת במנות‪ .‬הסבר זה זיכה אותו בפרס נובל לפיסיקה בשנת‬ ‫‪.1291‬‬ ‫מהו גל אלקטרומגנטי?‬ ‫גל אלקטרומגנטי הינו התפשטות חלקיקים הנקראים פוטונים במרחב ומוגדר כהפרעה מחזורית בשדה‬ ‫חשמלי ובשדה מגנטי‪ .‬בריק מהירותו של הגל האלקטרומגנטי הוא כמהירות האור‪ .‬גל זה מכיל אנרגיה‬ ‫ותנע אשר מועברים בעת מגע עם משטח או חומר כלשהו‪.‬‬ ‫כפי שנראה בציור הבא‪ ,‬האמפליטודה הינה העצמה כלומר גובה הגל‪ ,‬התדר הינו מספר הפעמים‬ ‫שהתנודה חזרה על בשניה אחת ואורך הגל הוא המרחק בין שני שיאי הגל‪.‬‬ ‫מהו האור?‬ ‫הקרינה האלקטרומגנטית באורכי הגל שבין ‪ 044-044‬ננומטר הינה תחום האור הנראה וזהו התחום‬ ‫עליו אנו מדברים‪.‬‬ ‫האור מחולק למנות אנרגיה המכונות "קוונטים"‪ .‬הפוטון הוא הקוונט של האור‪ .‬האור (פוטונים) מגיע‬ ‫ממקור האור ומתפשט לכל הכיוונים‪ .‬ההנחה הקוונטית של האור מתארת את האור כאנרגיה אשר לא‬ ‫זורמת בצורה רציפה אלא בצורה של "חבילות" בודדות המכונות "קוונטות" (מנות)‪ .‬כאמור‪ ,‬האור מתנהג‬ ‫כחלקיק אך בו זמנית גם כגל ומכאן השם "דואליות האור"‪ .‬עד היום אין הסבר מובהק לתופעה זו וקיימות‬ ‫תיאוריות שונות ומגוונות המנסות להסביר זאת‪.‬‬ ‫חשוב לציין כי האור הלבן אשר אנו רואים הוא בעצם אוסף של אורכי גל באורכים שונים אשר ניתן‬ ‫להפרידם באמצעות מנסרה לפי אורכי הגל‪ .‬בטבע ניתן לראות את כל הספקטרום בתופעת "הקשת‬ ‫בענן"‪.‬‬ ‫כיצד התגלה האפקט ומהן תוצאות הניסוי?‬ ‫בשנת ‪ ,1290‬במסגרת מחקר על התפרקות חשמלית בין לוחות מוליכים‪ ,‬היינריך הרץ גילה כי הקרנת‬ ‫אור אולטרא‪-‬סגול על מתכת‪ ,‬גורמת להגדלת ההתפרקות‪ ,‬כלומר כאשר הרץ הקרין אור אולטרא‪-‬סגול‬ ‫על מתכת‪ ,‬הסביבה הקרובה נטענה שלילית‪ .‬מאוחר יותר המשיכו לחקור תופעה זו חוקרים נוספים כגון‬ ‫תומפסון ולנארד והמסקנות שאליהן הגיעו מחקרים אילו הן‪:‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫עצמת האור תשפיע על כמות הפוטו‪-‬אלקטרונים הנפלטים‪ .‬ככל שהעצמה גדולה יותר‪,‬‬ ‫כך יפלטו יותר פוטו‪-‬אלקטרונים‪.‬‬ ‫אין השהייה מרגע הארת האור לרגע פליטת האלקטרונים‪ ,‬כלומר מיד לאחר הקרנת אור‬ ‫בתדירות מתאימה תתקבל פליטה‪.‬‬ ‫פליטת אלקטרונים מותנית בכך שתדירות האור הפוגע תהיה גדולה או שווה לתדירות‬ ‫הסף של המתכת‪ .‬במידה ולא כך הדבר‪ ,‬לא יפלטו אלקטרונים ללא תלות בעצמת‬ ‫ההארה‪.‬‬ ‫קיים קשר ליניארי בין האנרגיה הקינטית המקסימאלית לבין התדירות‪ .‬האנרגיה‬ ‫הקינטית המקסימאלית גדלה ככל שנגדיל את התדירות‪ .‬האנרגיה הקינטית‬ ‫המקסימאלית נמדדת באמצעות המתח שעבורו הזרם מתאפס בפעם הראשונה (מתח‬ ‫עצירה) והוא תלוי בתדירות ולא תלוי בעצמת ההארה‪.‬‬ ‫פוטנציאל העצירה גדל ככל התדירות גדלה ביחס ליניארי לפי הקשר‪:‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪k‬‬ ‫‪Emax‬‬ ‫‪  me  vmax 2  e  V0‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪k‬‬ ‫‪ - Emax‬אנרגיה קינטית מקסימאלית; ‪- me‬מסת אלקטרון; ‪ - vmax‬מהירות מקסימאלית; ‪ - V0‬מתח עצירה; ‪- h‬קבוע פלנק;‬ ‫‪ - f‬תדירות;‬ ‫‪- W‬פונקצית עבודה; ‪- e‬קבוע‬ ‫מהו ההסבר אותו הציע איינשטיין?‬ ‫החוקרים התקשו לתת הסברים לתוצאות הניסוי בעזרת התיאוריה הקלאסית‪ .‬לדוגמה‪ ,‬לא ניתן היה‬ ‫למצוא מהי תדירות הסף‪ .‬איינשטיין נתן מענה לבעיות שהתעוררו בהסבר התופעה‪ .‬הוא טען כי האנרגיה‬ ‫אינה זורמת בצורה רציפה אלא מגיעה למתכת במנות (קוואנטים)‪ ,‬כפי שפלאנק הסביר את אופי קרינת‬ ‫גוף שחור מספר שנים קודם לכן‪.‬‬ ‫‪hc‬‬ ‫אנרגית פוטון‪:‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪E  hf ‬‬ ‫‪ - ‬אורך גל; ‪- C‬מהירות האור; ‪ - ‬פוטון‪.‬‬ ‫אינשטיין התייחס אל הפוטונים כשילוב בין אופי גלי (כפי שתיארה התיאוריה הקלאסית) לבין אופי‬ ‫חלקיקי (כפי שתיאר פלאנק)‪ .‬משמעות הדבר היא שהפוטונים בעלי אנרגיה‪ .‬אנרגיה זו מועברת‬ ‫בשלמותה לאלקטרונים שבמתכת ומאפשרת להם להיפלט ממנה‪ .‬לכל מתכת קיימת אנרגית סף המכונה‬ ‫"פונקצית עבודה"‪ .‬כאשר האנרגיה שקיבל האלקטרון מהפוטון שווה או גדולה מפונקצית העבודה‪ ,‬הם‬ ‫יכולים להיפלט‪ .‬האנרגיה שנותרת לאחר ההחסרה של פונקצית העבודה מאנרגית הפוטון מתבטאת‬ ‫כאנרגיה קינטית של האלקטרון‪.‬‬ ‫‪k‬‬ ‫‪Emax‬‬ ‫‪ hf  W‬‬ ‫‪k‬‬ ‫‪ - Emax‬אנרגיה קינטית מקסימאלית; ‪- h‬קבוע פלנק; ‪ - f‬תדירות; ‪- W‬פונקצית עבודה‬ ‫למה אנו זקוקים לגלאי עשן?‬ ‫התראה על עשן יכולה להציל חיים ועל כן ישנה חשיבות רבה לאפליקציה של גלאי עשן‪ .‬גלאי עשן מזהים‬ ‫במהירות עשן בעזרת המנגנונים שיפורטו בהמשך ומפעילים בעת הצורך אזעקה קולית‪ .‬מקומות‬ ‫מומלצים להתקנת גלאי עשן בבית הם המטבח וחדר השינה‪ .‬ישנם גלאים הפועלים על בסיס סוללות‬ ‫וישנם גלאי עשן המתחברים למקור זינה‪.‬‬ ‫קיימים שני סוגי גלאי עשן עיקריים‪:‬‬ ‫‪ .1‬גלאי העובד על עיקרון היוניזציה‬ ‫‪ .2‬גלאי העובד על העיקרון הפוטואלקטרי‬ ‫מהו גלאי עשן פוטואלקטרי?‬ ‫גלאי עשן פוטואלקטריים השכיחים ביותר‪ ,‬מכילים מנגנון של מבוך‪ ,‬משדר ומקלט בתדר אינפרא‪-‬אדום‬ ‫המאפשרים גילוי אור שמוחזר מחלקיקי העשן‪ .‬המבנה של המכשיר מכיל נורה‪ LED-‬המותקנת בזווית‬ ‫‪ , 24‬כך שבמצב רגיל האור שמוקרן ממנה יגיע לגלאי ולא יפגע בדרך בתא הפוטואלקטרי‪ .‬במידה ויחדור‬ ‫עשן למבוך‪ ,‬הגלאי‪ ,‬יזהה את חלקיקי העשן שכן הם גורמים לפיזור האור מהנורה כך שכעת היא פוגעת‬ ‫בתא הפוטואלקטרי‪ .‬הגלאי מגיב לשינויים במוליכות האור שבין מקור האור לבין התא הפוטואלקטרי‪.‬‬ ‫בעת התקנת הגלאי נקבעת דרגת הרגישות הרצויה כך שכאשר נעבור את הסף שנקבע הגלאי ישמיע‬ ‫אזעקה קולית‪ .‬כיום קיימים גלאים "ירוקים" שלא מכילים חומר רדיואקטיבי‪.‬‬ ‫סוג נוסף הוא גלאי שבו העשן חוסם את קור האור‪ .‬בשיטה זו ירידה בכמות האור לרמה שנקבעה כרמת‬ ‫הסף היא זו שמפעילה את האזעקה הקולית של הגלאי‪.‬‬ ?‫מהו גלאי עשן יוניזציה‬ ‫ תא אחד נותר‬.Am241 ‫גלאי עשן מסוג זה מורכבים משני תאים בעלי מקור רדיואקטיבי חלש בכל אחד‬ ‫ המקור הרדיואקטיבי מיינן באופן‬.‫ התא השני פתוח לסביבה‬.‫סגור ומשמש להשוואה עבור התא השני‬ ‫ במידה והתא‬.‫קבוע את סביבת התא וכתוצאה מכך ישנה תנועת אלקטרונים שיוצרת זרם חשמלי קטן‬ ‫ ירידה מתחת לזרם מסוים‬.‫ הזרם בו ירד כתוצאה מהתחברות חלקיקים מהעשן ליונים‬,‫הפתוח קולט עשן‬ .‫תפעיל אזעקה קולית‬ :‫להלן שני אתרים אשר מאפשרים הדמיה של האפקט הפוטואלקטרי‬ http://62.90.118.237/Index.asp?ArticleID=1267&CategoryID=829&Page=1 http://www.walter-fendt.de/ph14e/photoeffect.html .1 .2 :‫רשימת מקורות‬ ,‫ האפקט הפוטואלקטרי‬,‫ קרינה מייננת‬-‫אתר ויקיפדיה‬ http://62.90.118.237/Index.asp?ArticleID=1267&CategoryID=829&Page=1 http://physweb.bgu.ac.il/COURSES/LAB_A/TADRICHIM/Photoelec.pdf http://62.90.118.237/Index.asp?ArticleID=1267&CategoryID=829&Page=1 ‫גלאי עשן פוטואלקטריים‬-http://www.telefire.co.il S24 ‫גלאי עשן אופטי‬-http://fire-alarms.co.ilI How Do Smoke Detectors Work? -http://chemistry.about.com. Photoelectric Effect - Explanation of the Photoelectric Effect-http://chemistry.about.com. http://www.walter-fendt.de/ph14e/photoeffect.htm http://gsrweb.net/?p=634 http://gsrweb.net/?p=633 home/ http://www.beterem.org/ BWK‫ גלאי עשן עצמאי פוטואלקטרי‬-http://www.bernard.co.il .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 .11 .11 .12 .13