Fotoelektrisk effekt

HMSFramgangsmåteTeoriSensorspørsmål

Skin lys på en metallplate, og elektroner kan rives løs. Men det er ikke styrken på lyset som avgjør om det skjer – det er frekvensen. Det kunne bare forklares hvis lys kommer i pakker (fotoner), og det ga Einstein nobelprisen.

Hensikt

Vise at lys løsriver elektroner fra metall bare over en bestemt terskelfrekvens, og knytte observasjonene til fotonmodellen og Einsteins fotoelektriske likning.

Hypotese

Elektroner løsrives bare når lysets frekvens er over en terskel, uansett hvor sterkt lyset er. Elektronenes maksimale energi øker med frekvensen, ikke med intensiteten.

HMS og sikkerhet

Før du starter

• UV-lys kan skade øynene og huden – bruk UV-vernebriller og se ikke inn i kilden.
• Ikke ta på en nyrenset/zink-plate med fingrene; fett ødelegger effekten.
• Håndter elektroskop og høyspentkilder forsiktig.

Utstyr du trenger

• Gullbladelektroskop med ren sinkplate
• UV-lampe (eller sterk lyskilde med ulike filtre/farger)
• Glassplate (for å vise at glass stopper UV)
• Fotocelle/vakuumrør med meter (for den kvantitative varianten)
• Justerbar motspenning og voltmeter
• Smørgelpapir for å rense sinkplaten

Framgangsmåte – steg for steg

Framgangsmåte: lys på metall, mål fotostrøm og stoppspenning.

1. Lad et elektroskop med en ren sinkplate negativt så bladene spriker.
2. Skin UV-lys på sinkplaten og se at bladene synker – elektroner løsrives.
3. Lad negativt igjen og skin synlig lys på platen – ingenting skjer, uansett styrke.
4. Sett en glassplate mellom UV-lampen og sinken (glass stopper UV) – effekten forsvinner.
5. Lad elektroskopet positivt og skin UV på det – bladene blir stående (utslåtte elektroner trekkes tilbake).
6. Kvantitativ variant: mål fotostrømmen i en fotocelle for ulike farger.
7. Øk motspenningen til strømmen akkurat blir null – det er stoppspenningen.
8. Gjenta for ulike frekvenser og plott stoppspenning mot frekvens.

Observasjoner og resultater

Et foton (E = hf) river løs et elektron fra metallet.

De avgjørende observasjonene:

• UV-lys løsriver elektroner fra (negativ) sink; synlig lys gjør det ikke, uansett intensitet.
• Glass stopper effekten fordi det absorberer UV.
• Sterkere lys over terskelen gir flere elektroner (større strøm), men ikke raskere elektroner.
• Høyere frekvens gir elektroner med større energi (høyere stoppspenning).

Lys	Over terskel?	Elektroner løsrives?
Svakt UV	Ja	Ja (få)
Sterkt synlig	Nei	Nei
Sterkt UV	Ja	Ja (mange)

Teorien bak

Klassisk bølgeteori spår at sterkt nok lys alltid burde løsrive elektroner. Det stemmer ikke: under en bestemt terskelfrekvens f₀ skjer ingenting, uansett intensitet. Einstein løste dette ved å si at lys består av fotoner med energi:

E = h·f

der h = 6,63·10⁻³⁴ Js er Plancks konstant. Ett elektron absorberer ett foton. For å rive elektronet løs kreves et minste energi – løsrivingsarbeidet W (utløsningsarbeidet). Det som er igjen, blir elektronets kinetiske energi:

E_k(maks) = h·f − W

Dette er Einsteins fotoelektriske likning. Den forklarer alt: under terskelen (hf < W) har ikke fotonet nok energi, så ingenting skjer. Over terskelen øker elektronets energi med frekvensen, mens høyere intensitet bare betyr flere fotoner og dermed flere elektroner. Stoppspenningen U₀ måler maksimal kinetisk energi: e·U₀ = E_k(maks).

Typiske problemstillinger sensor stiller

Hvorfor kan ikke klassisk bølgeteori forklare den fotoelektriske effekten?

Klassisk sett burde sterkt lys – uansett farge – kunne gi elektronene nok energi over tid. Men under terskelfrekvensen skjer ingenting, uansett intensitet, og effekten er momentan. Det krever at energien kommer i pakker (fotoner).

Hva er Einsteins fotoelektriske likning?

E_k(maks) = h·f − W. Fotonets energi (hf) brukes til løsrivingsarbeidet W, og resten blir elektronets maksimale kinetiske energi.

Hva er løsrivingsarbeidet (utløsningsarbeidet)?

Den minste energien som trengs for å rive et elektron løs fra metalloverflaten. Det er en egenskap ved metallet og bestemmer terskelfrekvensen: W = h·f₀.

Hva avgjør om elektroner løsrives – intensitet eller frekvens?

Frekvensen. Bare fotoner med f ≥ f₀ (altså hf ≥ W) kan løsrive elektroner. Intensiteten avgjør bare antallet elektroner, ikke om de slipper løs.

Hva skjer med elektronenes energi hvis du øker intensiteten?

Ingenting med energien per elektron – den bestemmes av frekvensen. Du får bare flere elektroner (større strøm), fordi det kommer flere fotoner.

Hva er stoppspenningen, og hva måler den?

Den motspenningen som akkurat stopper de raskeste elektronene, så strømmen blir null. Da er e·U₀ = E_k(maks), så stoppspenningen gir elektronenes maksimale kinetiske energi.

Hvordan kan du finne Plancks konstant av forsøket?

Plott stoppspenning U₀ mot frekvens f. Grafen blir en rett linje med stigningstall h/e. Multipliser stigningstallet med elementærladningen e for å finne h.

Hva forteller forsøket om lysets natur?

At lys har en partikkelnatur (fotoner) i tillegg til bølgenaturen fra interferens. Lys har en dobbeltnatur – bølge-partikkel-dualitet.

Sensortips – slik imponerer du

Slik får du toppkarakter

• Forklar hvorfor klassisk teori feiler før du introduserer fotoner.
• Bruk E_k = hf − W og pek på hvert ledd.
• Skill knivskarpt mellom intensitet (antall) og frekvens (energi).
• Nevn graf U₀ mot f for å finne h – det viser dybde.

Slik vurderer sensor

Det som gir karakter 6

• Du forklarer hvorfor bølgeteori ikke holder.
• Du bruker Einsteins likning korrekt og definerer W.
• Du skiller intensitet og frekvens i forklaringen.
• Du kobler stoppspenning til kinetisk energi og finner h grafisk.

Typiske elevfeil å unngå

Vanlige feil

• Tror sterkt synlig lys kan løsrive elektroner hvis det er kraftig nok.
• Forveksler intensitet (antall fotoner) med frekvens (energi per foton).
• Glemmer løsrivingsarbeidet W i energibalansen.
• Tror ett elektron kan absorbere flere fotoner samtidig (normalt absorberer det ett).

Feilkilder

• Uren metalloverflate (oksid/fett) endrer løsrivingsarbeidet.
• Lyskilden er ikke monokromatisk, så frekvensen er usikker.
• Lekkasje i elektroskopet gir feil tolkning av om bladene synker.
• Bakgrunnslys og termisk emisjon påvirker fotostrømmen.

Variasjoner av forsøket

• Mål stoppspenning for flere farger og finn Plancks konstant grafisk.
• Sammenlign ulike metaller og deres terskelfrekvenser.
• Vis at glass blokkerer UV, men ikke synlig lys.
• Bruk LED-er med kjent bølgelengde som monokromatiske kilder.

Sentrale begreper

• Foton – en energipakke av lys med energi E = h·f.
• Plancks konstant (h) – 6,63·10⁻³⁴ Js; knytter fotonenergi til frekvens.
• Løsrivingsarbeid (W) – minste energi for å rive et elektron løs fra metallet.
• Terskelfrekvens (f₀) – laveste frekvens som gir fotoelektroner; W = h·f₀.
• Stoppspenning (U₀) – motspenning som stopper de raskeste elektronene; eU₀ = E_k(maks).
• Bølge-partikkel-dualitet – lys oppfører seg både som bølge og som partikkel.

Kompetansemål forsøket dekker

• Gjøre rede for den fotoelektriske effekten og lysets partikkelnatur.
• Bruke E = hf og Einsteins fotoelektriske likning.
• Drøfte hvordan forsøk har endret synet på lysets natur.

Ofte stilte spørsmål

Hvorfor fikk Einstein nobelprisen for nettopp dette?

Fordi forklaringen av den fotoelektriske effekten (1905) innførte lyskvantet/fotonet og ble et grunnlag for kvantefysikken. Han fikk nobelprisen i 1921 for dette, ikke for relativitetsteorien.

Hva er forskjellen på intensitet og frekvens for lys?

Frekvensen bestemmer energien per foton (E = hf) og dermed fargen. Intensiteten bestemmer hvor mange fotoner som kommer per sekund. Begge er uavhengige.

Betyr dette at lys ikke er en bølge?

Nei. Lys er begge deler: interferens viser bølgenaturen, fotoelektrisk effekt viser partikkelnaturen. Hvilken side som viser seg, avhenger av forsøket.

Hvorfor stopper glass effekten?

Vanlig glass absorberer ultrafiolett lys. Siden det er UV (høy frekvens) som har nok fotonenergi til å løsrive elektroner fra sink, forsvinner effekten når glasset fjerner UV-en.

Klar for muntlig-praktisk?

Øv på flere Fysikk 2-forsøk og eksamensoppgaver med fasit.

Gå til Fysikk 2

Relaterte sider

RadioaktivitetInterferensStrømleder i magnetfeltFysikk 2Alle Fysikk 2-forsøkFysikk 1-forsøkEksamensoppgaver med fasit