φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

ΕΚΦΕ Θεσπρωτίας

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

Αποτελεί: Εισαγωγικό φαινόμενο για την Κβαντική

​

• Όχι μόνο για ιστορικούς λόγους.
• Πειραματικά μπορούν να αναδειχθούν κάποιες από τις δυσκολίες που συνάντησε η κλασσική Φυσική για την εξήγησή του.
• Η θεωρία Einstein για την εξήγησή του είναι αξεπέραστη στην απλότητά της και τουλάχιστον κάποια σημεία της μπορούν να επιβεβαιωθούν πειραματικά ακόμη και σε επίπεδο Β/θμιας Εκπ/σης.

Τι θέλω να δείξω…

• Δεν υπάρχει σημαντική χρονική καθυστέρηση στην εκδήλωση του φαινομένου.
• Η μέγιστη κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων και η συχνότητα του φωτός συνδέονται με γραμμική σχέση.
• Υπάρχει μια ελάχιστη συχνότητα (συχνότητα κατωφλίου) κάτω από την οποία δεν εκδηλώνεται το φαινόμενο.
• Η μέγιστη κινητική ενέργεια είναι ανεξάρτητη της έντασης του φωτός.
• Επιπλέον θα ήθελα να υπολογίσω:
• Τη συχνότητα κατωφλίου
• Τη σταθερά του Planck
• Το έργο εξαγωγής του υλικού της καθόδου του φωτοκυττάρου

​

​

Η συσκευή Ατματζίδη

Για τη χρονική καθυστέρηση

ΜΟΝΟ ποιοτικά μπορεί να διαπιστωθεί πως ο χρόνος αποκατάστασης του φωτορεύματος είναι πάρα πολύ μικρός σε κάθε περίπτωση.

Πρόβλεψη της κλασσικής η/μ θεωρίας: από λίγα ms μέχρι πάρα πολλά χρόνια!

Αλλά, ακόμη και αυτό είναι αρκετό ως εισαγωγή στις δυσκολίες �που αντιμετώπισε η κλασσική η/μ θεωρία για την εξήγηση του φαινομένου.

Γραμμικότητα K_max – f & υπολογισμός h

Επιλέγουμε αρνητική τάση ανόδου-καθόδου στο φωτοκύτταρο και για τα διάφορα φίλτρα ρυθμίζουμε την τιμή της, ώστε να έχουμε μηδενικό φωτορεύμα στο κύκλωμα.

Η τάση αυτή είναι η τάση αποκοπής ( V_s ) και μέσω αυτής υπολογίζουμε την K_max ως eV_s, ώστε μετά να σχεδιάσουμε τη γραφική παράσταση K_max = g (f).

​

Πειραματικό σφάλμα στη μέτρηση της V_s περίπου 0,03V

Γραμμικότητα K_max – f & υπολογισμός h

Τυπική γραφική παράσταση Κ_max = g ( f )

χρησιμοποιώντας όλα τα φίλτρα

​

Έλεγχος γραμμικότητας μέσω του συντελεστή συσχέτισης R² στην καλύτερη ευθεία προσαρμογής στα πειραματικά δεδομένα (όσο πιο κοντά στο 1, τόσο καλύτερη η προσέγγιση).

Υπολογισμός σταθεράς Planck μέσω της κλίσης στη γραφική παράσταση K_max = g (f), αφού σύμφωνα με την εξ. Einstein είναι:

​

​

​

​

Υπολογισμός σταθεράς Planck ( h )

Καλύτερα αποτελέσματα στην περιοχή αποστάσεων: 25 cm – 35 cm και με χαμηλή ένταση φωτός

Η επίδραση του ανοιχτού κίτρινου φίλτρου

Μέσο μήκος κύματος 510 nm, δηλ. χρώμα πράσινο στα όρια με το μπλε.

Τάση αποκοπής που θα ταίριαζε σε πράσινο στα όρια με το κίτρινο

Σφάλμα συστηματικό!

Χωρίς το ανοιχτό κίτρινο φίλτρο

Γραμμικότητα K_max – f

Τα καλύτερα αποτελέσματα:

​

Χαμηλή ένταση φωτισμού (1,5h)

Απόσταση 25 cm - 35 cm

Χωρίς το ανοικτό κίτρινο φίλτρο

Πειράματα μόνο με LED

3D εκτυπώσιμη βάση LED

Χρησιμοποιήθηκαν 7 διαφορετικά LED (εμπορικά προϊόντα από αξιόπιστες πηγές)

Υπολογισμός συχνότητας κατωφλίου

Η μορφή της γρ. παράστασης K_max – f συνάδει με την ύπαρξη συχνότητας κατωφλίου.

Η ακρίβεια στον υπολογισμό της είναι μια άλλη ιστορία!!

Υπολογισμός έργου εξαγωγής της καθόδου

Καλύτερα να το ξεχάσουμε!!!

Υπολογισμός έργου εξαγωγής της καθόδου

• Η παρέκταση (extrapolation) σε τιμές εκτός της περιοχής των πειραματικών δεδομένων είναι επισφαλής, εκτός αν υπάρχουν σημαντικά δεδομένα που να υποστηρίζουν την εφαρμογή της. �Η μαθηματικά ορθή διαδικασία «πάσχει» από φυσική άποψη!
• Επιπλέον τα ηλεκτρόνια για να φτάσουν στην άνοδο πρέπει να υπερπηδήσουν και το φράγμα δυναμικού που δημιουργείται λόγω της επαφής (μέσω των αγωγών της διάταξης) των ανόμοιων υλικών της ανόδου και της καθόδου. Οπότε, αυτό που ισχύει είναι:

Σχέση τάσης αποκοπής – έντασης φωτός

Παρατηρείται «ολίσθηση» της τάσης αποκοπής με τη μεταβολή της έντασης του φωτός.

Η ολίσθηση στην τάση αποκοπής εμφανίζεται στην «ουρά» της γραφικής παράστασης.

Ασάφεια στον υπολογισμό της τάσης αποκοπής

1. Το έργο εξαγωγής ενός μετάλλου είναι αυστηρά καθορισμένο μόνο στο απόλυτο μηδέν (0 Κ). Σε οποιαδήποτε άλλη η θερμική τους ενέργεια, οδηγεί σε ασάφεια ως προς την τιμή του έργου εξαγωγής.
2. Το φορτίο χώρου κοντά στην κάθοδο, ειδικά για τάσεις κοντά στην τάση αποκοπής.

Στη γρ. παράσταση Ι-V η ένταση του φωτορεύματος πλησιάζει «σχεδόν» ασύμπτωτα στην τιμή μηδέν. Αυτό οδηγεί σε ασάφεια στον υπολογισμό της τάσης αποκοπής.

Το ρεύμα ανάστροφης φοράς

Απόθεση στην άνοδο υλικού από την κάθοδο.

Λόγω της τάσης επαφής ανόδου και καθόδου, το έργο εξαγωγής του υλικού της ανόδου να εμφανίζεται μικρότερο του αναμενόμενου.

Ανάκλαση φωτοηλεκτρονίων από την άνοδο ή το γυάλινο περίβλημα.

​

Το ρεύμα ανάστροφης φοράς έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση (απολύτως) της μετρούμενης τάσης αποκοπής.

Η τιμή του επηρεάζεται από την ένταση του φωτός πολύ περισσότερο από την τιμή του ρεύματος ορθής φοράς και γι’ αυτό η τάση αποκοπής τελικά εξαρτάται (ελαφρώς) από την ένταση του φωτός.

ΑΙΤΙΕΣ

Άλλες αιτίες σφαλμάτων

1. Ατέλειες της επιφανειακής επίστρωσης της καθόδου προκαλούν μεταβολές στο έργο εξαγωγής.
2. Μικρός αριθμός ηλεκτρονίων ανακλάται από την άνοδο συνεισφέροντας στη δημιουργία ανάστροφου ρεύματος, που κυρίως επηρεάζει όταν η τάση ανόδου-καθόδου έχει μικρές θετικές τιμές.
3. Γεωμετρικά φαινόμενα που σχετίζονται με ηλεκτρόνια που έχουν την απαραίτητη ενέργεια για να φτάσουν στην άνοδο, αλλά όχι την απαραίτητη ορμή.
4. Διαρροή ηλεκτρικών φορτίων, π.χ. μέσω του γυάλινου περιβλήματος ή μέσω των μεταλλικών επαφών του φωτοκυττάρου στο κύκλωμα ή λόγω κακής θωράκισης της διάταξης από ηλεκτρομαγνητικά πεδία στο χώρο του πειράματος.
5. Περιορισμένη διακριτική ικανότητα του αμπερομέτρου και του βολτομέτρου της διάταξης.
6. Τάσεις λόγω επαφής ανόμοιων μετάλλων στο κύκλωμα επηρεάζουν τη μετρούμενη τιμή της τάσης αποκοπής.

Συμπεράσματα

• Χρονική καθυστέρηση : Μόνο ποιοτικά
• Γραμμικότητα Κ_max – f : NAI
• Υπολογισμός σταθεράς Planck : ΝΑΙ, υπό προϋποθέσεις αξιοπρεπής
• Ύπαρξη συχνότητας κατωφλίου : ΝΑΙ
• Υπολογισμός συχνότητας κατωφλίου : Αναξιόπιστος
• Υπολογισμός έργου εξαγωγής : ΟΧΙ
• Σχέση τάσης αποκοπής – έντασης φωτός : ΔΕΝ την προτείνω