ogarniam.edu.pl
Klasa
Zacznij naukę →Zacznij →

ogarniam.edu.pl · Fizyka · Fizyka atomowa (rozszerzenie)klasa 4 LO · fiszki i quiz: ogarniam.edu.pl/lo/4/fizyka/fotoefekt-bilans-energii-i-napiecie-hamowania/

Fizyka · Fizyka atomowa (rozszerzenie) · kl. 4 · zakres rozszerzony

Fotoefekt: bilans energii i napięcie hamowania

Jeden foton wybija jeden elektron i oddaje mu całą swoją energię. Reszta to księgowość: ile poszło na wyrwanie elektronu, a ile zostało na jego ruch.

ok. 3 min czytania10 fiszek8 pytań w quizie🔊 Posłuchaj notatki

1Bilans energii

  • Oznaczenia: hf — energia fotonu [J lub eV]; W — praca wyjścia, czyli najmniejsza energia potrzebna do wyrwania elektronu z danego metalu [J lub eV]; Ek,max — największa energia kinetyczna fotoelektronów [J lub eV]; fgr — częstotliwość graniczna [Hz].
Zapamiętaj

hf = W + Ek,max, a stąd fgr = W przez h i λgr = hc przez W

  • Gdy hf < W, elektron nie wyleci, choćby fotonów były miliardy – fotony nie sumują energii. Fotoefekt zachodzi dla f ≥ fgr (λ ≤ λgr).
  • Ek,max mają elektrony najsłabiej związane; inne tracą po drodze więcej energii i wylatują wolniej.
  • Podobnie przy jonizacji: foton jonizujący wodór musi mieć co najmniej 13,6 eV (λ ≤ 91 nm).

2Napięcie hamowania

  • Oznaczenia: Uh — napięcie hamowania [V], czyli najmniejsze napięcie (anoda na niższym potencjale niż katoda), które zatrzymuje najszybsze fotoelektrony; e — ładunek elementarny, 1,60·10−⁠19 C.
Zapamiętaj

eUh = Ek,max

  • Większe natężenie światła (ta sama f) to więcej fotonów, więc więcej fotoelektronów i większy prąd nasycenia, ale to samo Ek,max i Uh. Większa częstotliwość daje większe Ek,max i Uh.
U [V]I012−Uhwiększe natężeniemniejsze natężenieprąd nasyceniawspólne Uh
Charakterystyka I(U) fotokomórki: dwa natężenia światła, ten sam punkt −⁠Uh, różne prądy nasycenia
Sprawdź, czy rozumiesz

Praca wyjścia metalu wynosi 2,0 eV. Światło o energii fotonu 1,8 eV

3Wykres i przykłady

f [Hz]E0k,max [eV]fgr−W = −2,3 eVnachylenie = hbrak fotoelektronów
Wykres Ek,max(f): prosta o nachyleniu h, miejsce zerowe fgr, przedłużenie przecina oś pionową w −⁠W
  • Z wykresu Ek,max(f): nachylenie to h, miejsce zerowe to fgr, przecięcie przedłużonej prostej z osią pionową to −⁠W.
  • Przykład 1 – dane: sód, W = 2,3 eV; λ = 400 nm.
  • Wzory: Ek,max = hc przez λ − W; Uh = Ek,max przez e; fgr = W przez h.
  • Obliczenia: hc przez λ = 1240 przez 400 eV = 3,10 eV; Ek,max = 3,10 eV − 2,3 eV = 0,80 eV; Uh = 0,80 V; fgr = 2,3 · 1,60·10−⁠19 J przez 6,63·10−⁠34 J·s ≈ 5,6·1014 Hz.
  • Odpowiedź: Ek,max ≈ 0,80 eV, Uh ≈ 0,80 V, fgr ≈ 5,6·1014 Hz.
  • Przykład 2. λ = 300 nm, zmierzone Uh = 1,2 V: W = 1240 przez 300 eV − 1,2 eV ≈ 4,13 eV − 1,2 eV ≈ 2,9 eV.
Uwaga na błąd

„Więcej światła – szybsze elektrony”

Natężenie zmienia liczbę fotonów; Ek,max zależy tylko od częstotliwości światła i od metalu.

✎Ściąga: Fotoefekt: bilans energii i napięcie hamowania

Najważniejsze w pigułce – przeczytaj tuż przed kartkówką lub sprawdzianem.

  • hf = W + Ek,max, a stąd fgr = W przez h i λgr = hc przez W
  • eUh = Ek,max
  • Oznaczenia: hf — energia fotonu [J lub eV]; W — praca wyjścia, czyli najmniejsza energia potrzebna do wyrwania elektronu z danego metalu [J lub eV]; Ek,max — największa energia kinetyczna fotoelektronów [J lub eV]; fgr — częstotliwość graniczna [Hz].
  • Oznaczenia: Uh — napięcie hamowania [V], czyli najmniejsze napięcie (anoda na niższym potencjale niż katoda), które zatrzymuje najszybsze fotoelektrony; e — ładunek elementarny, 1,60·10−⁠19 C.
  • Przykład 1 – dane: sód, W = 2,3 eV; λ = 400 nm.
  • Wzory: Ek,max = hc przez λ − W; Uh = Ek,max przez e; fgr = W przez h.
  • Obliczenia: hc przez λ = 1240 przez 400 eV = 3,10 eV; Ek,max = 3,10 eV − 2,3 eV = 0,80 eV; Uh = 0,80 V; fgr = 2,3 · 1,60·10−⁠19 J przez 6,63·10−⁠34 J·s ≈ 5,6·1014 Hz.
  • Odpowiedź: Ek,max ≈ 0,80 eV, Uh ≈ 0,80 V, fgr ≈ 5,6·1014 Hz.

?Quiz: powtórz przed kartkówką

8 pytań w stylu kartkówki i sprawdzianu. Odpowiedz w myślach, potem sprawdź odpowiedź. Rozwiąż quiz z wynikiem – każda odpowiedź ma wyjaśnienie.

  1. Co zwiększy maksymalną energię kinetyczną fotoelektronów?

    1. AWiększa powierzchnia płytki
    2. BZwiększenie natężenia światła
    3. CZwiększenie częstotliwości światła
    4. DDłuższe oświetlanie
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: Zwiększenie częstotliwości światła – Ek,max = hf − W zależy od f i od metalu; natężenie zmienia tylko liczbę fotoelektronów.

  2. Praca wyjścia metalu wynosi 2,0 eV. Światło o energii fotonu 1,8 eV

    1. Anie wybije elektronów, choćby było bardzo jasne
    2. Bwybije elektrony o energii 0,2 eV
    3. Cwybije elektrony, jeśli oświetlimy je dłużej
    4. Dwybije elektrony przy dużym natężeniu
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: nie wybije elektronów, choćby było bardzo jasne – Każdy foton ma za mało energii (1,8 eV < 2,0 eV), a fotony nie sumują energii.

  3. Dla W = 2,3 eV i fotonu o energii 3,1 eV największa energia kinetyczna fotoelektronu wynosi

    1. A3,1 eV
    2. B5,4 eV
    3. C0,8 eV
    4. D2,3 eV
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: 0,8 eV – Ek,max = 3,1 eV − 2,3 eV = 0,8 eV.

  4. Jak obliczysz częstotliwość graniczną?

    1. Afgr = W·h
    2. Bfgr = W/c
    3. Cfgr = W/h
    4. Dfgr = h/W
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: fgr = W/h – Przy fgr foton ma energię dokładnie równą pracy wyjścia: hfgr = W.

  5. Napięcie hamowania wynosi 1,5 V. Największa energia kinetyczna fotoelektronów to

    1. A0,75 eV
    2. B1,5 J
    3. C3,0 eV
    4. D1,5 eV
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź D: 1,5 eV – eUh = Ek,max, więc dla Uh = 1,5 V mamy Ek,max = 1,5 eV (2,4·10−⁠19 J).

  6. Na wykresie Ek,max w funkcji f nachylenie prostej jest równe

    1. Aładunkowi elektronu
    2. Bczęstotliwości granicznej
    3. Cpracy wyjścia W
    4. Dstałej Plancka h
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź D: stałej Plancka h – Z hf = W + Ek,max wynika Ek,max = h·f − W, czyli współczynnik kierunkowy to h.

  7. Podwajamy natężenie światła (ta sama częstotliwość, f > fgr). Co się stanie z fotokomórką?

    1. AWzrośnie napięcie hamowania
    2. BWzrosną i prąd nasycenia, i napięcie hamowania
    3. CPrąd nasycenia wzrośnie, napięcie hamowania się nie zmieni
    4. DNic się nie zmieni
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: Prąd nasycenia wzrośnie, napięcie hamowania się nie zmieni – Dwa razy więcej fotonów to dwa razy więcej fotoelektronów, ale o tej samej Ek,max = eUh.

  8. Metal ma W = 4,0 eV. Czy światło o λ = 250 nm (≈ 4,96 eV) wybije z niego elektrony i jaka będzie ich Ek,max?

    1. ANie, bo λ jest za mała
    2. BTak, ok. 1,0 eV
    3. CTak, ok. 9,0 eV
    4. DTak, ok. 0,5 eV
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź B: Tak, ok. 1,0 eV – Ek,max = 4,96 eV − 4,0 eV ≈ 1,0 eV; energia fotonu jest większa niż W, więc elektrony wylatują.

Cały dział „Fizyka atomowa (rozszerzenie)”: ściąga i próbny sprawdzian →

Kartkówka albo sprawdzian już blisko?

Rozwiąż quiz z wynikiem i powtórz materiał na fiszkach. Każda odpowiedź ma wyjaśnienie, a postęp zapisuje się bez zakładania konta.

Rozwiąż quiz · 8 pytańFiszki · 10🔊 Posłuchaj notatki

Więcej: Fizyka, klasa 4

Foton: energia i pędAtom wodoru: poziomy i serie widmoweOdrzut atomu przy emisji fotonuFale materii de Broglie’aObserwacja widma przez siatkę dyfrakcyjnąPrędkość światła jest taka sama dla wszystkichEnergia spoczynkowa, całkowita i pęd relatywistycznyKiedy wystarczy mechanika klasycznaNuklidy, izotopy i bilans reakcji jądrowejRozpady α, β⁻, β⁺ i promieniowanie γPrawo rozpadu i datowanie radiowęgloweDeficyt masy, energia wiązania i bilans energii reakcjiRozszczepienie jądra i reakcja łańcuchowaSynteza jądrowa i energia gwiazdPromieniowanie jonizujące: dawki, ochrona i obliczeniaPromieniowanie termiczne: prawo Wiena i Stefana–BoltzmannaKreacja i anihilacja par cząstka–antycząstkaElektrownia jądrowa, zastosowania i ewolucja gwiazdMechanika i grawitacja: którą zasadę wybrać?Drgania, ciepło i prąd: wzory do powtórkiFale i optyka: wzory i niepewność z wykresuAtom i jądro: zadania maturalne krok po krokuRozwiązanie zadania i karta wzorów CKE