Valosähköinen ilmiö Vuonna 1887 saksalainen fyysikko Heinrich Hertz havaitsi sähkövarauksen purkautuvan metallikappaleen pinnalta, kun siihen kohdistui valoa. Tarkemmissa tutkimuksissa todettiin, että sähkömagneettinen säteily kykenee irroittamaan metallin pinnalta elektroneja, tätä ilmiötä kutsutaan valosähköiseksi ilmiöksi. Ilmiö tapahtuu ainoastaan, jos säteilyn taajuus ylittää kullekin metallille ominaisen rajataajuuden. Valosähköistä ilmiötä ei kyetä selittämään klassisen fysiikan valon aaltomallin avulla. Sähkövarauksen purkautuminen Tutki sähkövarauksen purkautumista alumiinikappaleesta ultraviolettivalon vaikutuksesta seuraavien ohjeiden mukaan ja kirjaa havaintosi alla olevaan taulukkoon. Poista alumiinikappaleen pinnalle muodostunut kalvo hiomapaperilla. Aseta alumiinikappale jännitemittarille ja varaa se eboniittisauvan avulla. Minkälainen sähkövaraus kappaleeseen syntyy? Kohdista kappaleen pinnalle valoa taskulampulla. Mitä havaitset? Kohdista kappaleen pinnalle ultraviolettivaloa. Mitä havaitset? Varaa alumiinikappale lasisauvan avulla. Minkälainen sähkövaraus kappaleeseen syntyy? Kohdista kappaleen pinnalle valoa taskulampulla. Mitä havaitset? Kohdista kappaleen pinnalle ultraviolettivaloa. Mitä havaitset? Käytetty valo Negatiivinen varaus Positiivinen varaus Kirkas valkoinen valo Himmeä valkoinen valo Kirkas uv-valo Himmeä uv-valo Mitä varauksen purkautuessa metallikappaleelta vaikuttaisi poistuvan? SIVU 1 / 8
Kappaleen sähkövaraus voidaan tulkita elektronien ylimääräksi tai vajaukseksi. Eboniittisauvan tapauksessa kappale varautuu negatiivisesti, jolloin siinä on ylimäärin elektroneja. Kohdistetaan metallille valoa. Havaitaan, että ultravioletti-valon osuessa metallille varaus purkautuu, mutta käytettäessä taskulampun valoa näin ei käy. Vaikuttaisi siltä, että ultravioletti-valolla olisi jokin ominaisuus, jota taskulampun valolla ei ole tai että ultravioletti-valolla on jotakin enemmän kuin taskulampun valolla. Lasisauvalla varattaessa kappale varautuu positiivisesti, jolloin siinä on elektronien vajaus. Sähkövarauksessa ei havaita muutosta kohdistettaessa sille taskulampun valoa tai ultraviolettivaloa. Negatiivisen varauksen purkautuessa kappaleessa olevat ylimääräelektronit poistuvat siitä, ultraviolettivalo irroittaa kappaleesta elektroneja. Valon kirkkauden voi mieltää valon määräksi ja valon värin valon voimakkuudeksi, valon kyvyksi irroittaa elektroni. Valosähköisen ilmiön koelaitteisto Kytke punaisen valon lähde kiinni laitteistoon. Mitä havaitset? Mikä aiheuttaa sähkövirran syntymisen? Pohdi mitä tämä tarkoittaa tuntemasi sähkövirran mallin mukaan. Mistä sähkövirran ylläpitämiseen vaadittava energia on peräisin? SIVU 2 / 8
Tyhjiöputken katodi (negatiivinen elektrodi) vastaa koelaitteistossa sitä metallikappaletta, jolta elektronit poistuvat. Valosähköisessä ilmiössä metallilta irtoavia elektroneja kutsutaan fotoelektroneiksi. Varausten liikettä tyhjiöputkessa katodilta anodille voidaan tulkita myös sähkövirtana, jonka arvo saadaan selville laitteiston virtamittarilla. (1) Sähkövirran ylläpito vaatii energiaa, joten energiaa täytyy siirtyä valosta elektroneille, niiden liike-energiaksi. (2) Muuta ohjausjännitettä, myötäsuuntaan ja vastasuuntaan. Mitä havaitset? Mitkä seikat vaikuttavat virran suuruuteen? Mitä virran suuruus kertoo fotoelektroneista? Miksi virran suuruus pienenee, kun vastajännitettä kasvatetaan? SIVU 3 / 8
Mitä ohjausjännite synnyttää tyhjiöputken elektrodien välille? Mihin irtoavien elektronien liike-energia kuluu? Piirin sähkövirran suuruutta (eli fotoelektronien liikettä tyhjiöputkessa) voidaan säädellä ohjausjännitteellä. Kääntämällä ohjausjännitteen sähkökenttä fotoelektronien liikettä vastustavaksi havaitaan virran arvon pienenevän. Vastajännitettä U kasvatettaessa piirin sähkövirta I pienenee. Ohjausjännite synnyttää laitteistoon sähkökentän, joka vaikuttaa fotoelektronien liikkeeseen. Vastasuunnassa (tilanteessa, jossa virran arvo pienenee) kenttä suuntautuu siten, että fotoelektronien liike hidastuu. Liikkuessaan piirin sähkökenttää vastaan fotoelektroni tekee työn. (3) Etsi jännitettä muuntamalla arvo, jolla virran suuruus on nolla. Mitä tiedämme fotoelektronien liikkeestä kyseisessä tilanteessa? Mihin irtoavien elektronien liike-energia kuluu? SIVU 4 / 8
Säädettäessä jännitettä siten että piirin sähkövirta lakkaa, voimme päätellä että tällöin kaikkein nopeimmatkin fotoelektronit on saatu pysäytettyä. Fotoelektronien liike-energia Ek on kulunut sähkökenttää vastaan tehdyksi työksi Ue. Työperiaatteen mukaan: (4) (5) (6) missä W on fotoelektronin tekemä työ, U ohjausjännitteen suuruus, e alkeisvaraus, Ek2 on fotoelektronin liike-energia lopussa ja Ek1 fotoelektronin liike-energia alussa. Jännitettä jolla virta saadaan pysäytettyä kutsutaan pysäytysjännitteeksi U0. Pysäytysjännitettä mittaamalla saamme selville fotoelektronien suurimman liike-energian Ekmax. Pysäytysjännitteen ja fotoelektronin suurimman liike-energian välillä on yhteys (7) Sijoita mittauksista saamasi tulokset (f, eu)-koordinaatistoon. Elektronien suurin liike-energia saadaan selville kaavan (7) avulla. Riippuuko pysäytysjännite valon intensiteetistä? Pohdi mitä tekemäsi havainnot kertovat valosta ja sen vuorovaikutuksesta katodimateriaalin kanssa. SIVU 5 / 8
Sähkövirran suuruuden pienentyessä nollaan ei anodille enää saavu elektroneja. Muuntamalla katodille osuvan valon intensiteettiä havaitsemme, että sähkövirran suuruus vaihtelee mutta jännite, jolla kaikki elektronit saadaan pysäytettyä, pysyy samana. Toista tekemäsi mittaukset muille valonlähteille ja kirjaa saamasi tulokset ylös. Valon taajuus ( 10 14 Hz) Pysäytysjännite (V) Elektronien liikeenergia ( 10-19 J) Mikä vaikuttaa pysäytysjännitteisiin? Mitä tämä kertoo fotoelektroneiden energiasta? Mistä tämä on energia on peräisin? Mitä voimme päätellä valosta näiden tietojen perusteella? Varioimalla valon väriä, eli säteilyn taajuutta, saamme muutoin samankaltaisia tuloksia, kuin edellisellä taajuudella, paitsi pysäytysjännitteen arvo on eri kuin muilla taajuuksilla pysäytysjännitteen arvo riippuu katodille osuvan valon taajuudesta ja siten myös elektronien saama suurin liike-energia riippuu metallille osuvan valon taajuudesta. Ilmeisesti myös valon energia on verrannollinen valon taajuuteen. SIVU 6 / 8
Sijoita mittauksista saamasi tulokset (f, eu)-koordinaatistoon. Elektronien suurin liike-energia saadaan selville kaavan (7) avulla. Minkälaisen kuvaajan mittauspisteet näyttävät muodostavan? Mitä tämä kertoo fotoelektronien suurimman liike-energian ja valon taajuuden välisestä suhteesta? Sovita mittauspisteille suora. Mikä on sovitetun suoran kulmakertoimen arvo ja yksikkö? Mikä fysikaalinen merkitys on suoran ja vaaka-akselin leikkauskohdalla? Kuvaajan ja taajuusakselin leikkauskohta voidaan tulkita rajataajuudeksi, jota pienempitaajuuksinen säteily ei sisällä riittävästi energiaa irrottaaksen elektronin metallista. Tämä tulkinta tukee aikaisempaa havaintoa, jossa taskulampun valo ei kyennyt purkamaan sähköisesti varatun metallikappaleen sähkövarausta ultravioletti-valon tapaan. Energia-akselin ja kuvaajan leikkauskohta voidaan tulkita energiamääräksi, joka elektronin on saatava päästäkseen irtoamaan metallisidoksen elektronimerestä. SIVU 7 / 8
Vertaa saamaasi kulmakertoimen arvoa taulukkokirjan luonnonvakioihin. Minkä luonnonvakion arvon olet saanut selvitettyä? Ilmiön selittämiseksi Albert Einstein esitti valolle uudenlaisen fotonimallin, jonka mukaan: Säteily koostuu erillisistä kvanteista, fotoneista. Fotonit absorboituvat ja emittoituvat joko kokonaan tai eivät ollenkaan. Absorboituessaan metalliin fotonin koko energia siirtyy kokonaisuudessaan yhdelle elektronille. Fotonien nopeus on valonnopeus c. Jokaisen fotonin energialle pätee E = hf, missä f on valon taajuus. Einsteinin mallin mukaan valosähköisessä ilmiössä yksittäinen fotoni osuu yksittäiseen elektroniin ja siirtää tälle koko taajuudesta riippuvan energiansa hf. Osa fotonin energiasta kuluu elektronin irrottamiseen metallista, merkitään tätä työtä symbolilla W ja kutsutaan nimellä irrotustyö, ja loput muuttuvat elektronin liike-energiaksi Ek. Nyt voimme ilmoittaa fotoelektronien suurimman liike-energian (8) SIVU 8 / 8