Zjawisko fotoelektryczne i foton

Zjawisko fotoelektryczne to jedno z doświadczeń, które zmieniły fizykę: pokazało, że światło przekazuje energię porcjami — fotonami. Ten materiał ćwiczy ten temat w zakresie fizyki na poziomie rozszerzonym: energię i pęd fotonu, równanie Einsteina–Millikana, pracę wyjścia, częstotliwość i długość fali granicznej oraz napięcie hamowania.

W zadaniach obliczeniowych przechodzisz między dżulami a elektronowoltami, liczysz energię fotonu z częstotliwości i z długości fali, wyznaczasz długość fali granicznej dla metalu o danej pracy wyjścia i napięcie, które zatrzyma najszybsze fotoelektrony. Korzystamy z wartości $h=6,63\cdot {10}^{-34}$ J·s, $c=3\cdot {10}^8$ m/s oraz z wygodnego iloczynu $hc\approx 1240$ eV·nm.

Dużą część materiału stanowią pytania pojęciowe, bo właśnie w nich najczęściej pojawiają się błędy. Co się zmienia, gdy rośnie natężenie światła, a co, gdy rośnie jego częstotliwość? Dlaczego czas naświetlania nie wpływa na energię fotoelektronów? Który fakt doświadczalny najwyraźniej przeczy falowemu modelowi światła i dlaczego istnienie częstotliwości granicznej wymusiło model fotonowy? Ćwiczysz też odczytywanie zależności $E_{kinmax}(f)$: wyjaśniasz, dlaczego jest to prosta o nachyleniu równym stałej Plancka i jak położone są proste dla dwóch metali o różnej pracy wyjścia.

Porównujesz również dwa metale o różnej pracy wyjścia oświetlone tym samym światłem i oceniasz, z którego z nich elektrony zostaną wybite. Takie porównania dobrze sprawdzają, czy rozumiesz, że o zajściu zjawiska decyduje energia pojedynczego fotonu, a nie całkowita energia docierająca do powierzchni metalu.

Materiał nie obejmuje fal materii de Broglie'a — skupia się na korpuskularnych własnościach światła i na zjawisku fotoelektrycznym.

Do wyboru masz quiz z wyjaśnieniami po każdej odpowiedzi, fiszki ze wzorami i pojęciami, egzamin ustny w formie rozmowy z egzaminatorem, który prosi o uzasadnianie odpowiedzi, oraz pracę pisemną do wydruku z zadaniami otwartymi, w których zapisujesz pełne rozwiązanie i komentarz fizyczny. Wszystkie dane potrzebne do obliczeń są w treści zadań. Zadania są oryginalne, a wszystkie liczby dobraliśmy tak, by rachunki były przejrzyste i łatwe do sprawdzenia. Materiał jest przeznaczony do samodzielnej nauki i powtórki.

• Obliczasz energię i pęd fotonu, przeliczając dżule na elektronowolty.
• Stosujesz równanie Einsteina–Millikana do wyznaczania energii fotoelektronów, pracy wyjścia i napięcia hamowania.
• Wyznaczasz częstotliwość graniczną i długość fali granicznej dla danego metalu.
• Wyjaśniasz różną rolę natężenia i częstotliwości światła w zjawisku fotoelektrycznym.
• Interpretujesz wykres zależności maksymalnej energii kinetycznej fotoelektronów od częstotliwości światła.

Materiał ćwiczeniowy przygotowany przez Zestly.