Issuu on Google+

โรงเรียนอัสสัมชัญศรีราชา กลุม่ วิชา วิทยาศาสตร์ ชื่อหน่วยการเรี ยน

รายวิชา ฟิ สกิ ส์อะตอม

ใบความรู้ สมบัตเิ ชิงกลของสสารและความร้ อน ชัน้ ม.6/1-4 ครูผ้ สู อน มิสวิไลวรรณ งามสุนทรเลิศ

. .

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ฟิ สิกส์ อะตอม ทวิภาพของคลื่นและอนุภาค ในปี ค.ศ.1887 เฮิ ร ตซ์ (Hertz) ได้ ท าการทดลองฉายรั งสี อัลตราไวโอเลตไปตกกระทบบนผิว โลหะ พบว่า มี อิเล็กตรอนอิสระหลุดออกจากที่ โลหะนัน้ อิเล็กตรอนที่ หลุดจากแผ่นโลหะเรี ยกว่า โฟโตอิเล็กตรอน (Photoelectrons) และ ปรากฏการณ์ที่แสงทาให้ อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากผิวโลหะนี ้ เรี ยกว่า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoelectice Effect)

รู ป แสดงอุปกรณ์การทดลองโฟโตอิเล็กตรอน ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริ กแสดงได้โดยใช้อุปกรณ์ดงั รู ป แผ่น โลหะ C และ A อยู่ในหลอดสุ ญญากาศ โดย C ต่อเข้า กับขั้วไฟฟ้ าลบ และ A ต่อเข้ากับขั้วไฟฟ้ าบวก โดยเมื่อฉายแสง ด้วยความถี่ ซึ่งเป็ นความถี่ที่สูงพอเหมาะ ลงบนแผ่นโลหะ C ทา ให้อิเล็กตรอนหลุดจากแผ่นโลหะ C ซึ่งจะพบว่าเข็มของแอมมิเตอร์ เบนไป แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้ าเกิดขึ้น โดยขณะที่ความต่าง ศักย์ต่า ๆ กระแสไฟฟ้ าที่เกิดขึ้นมีค่าน้อย ทาให้อิเล็กตรอนบางตัวมีพลังงานไม่มากพอที่จะเคลื่อนที่ถึงแผ่น A เมื่อเพิ่มความต่าง ศักย์กระแสไฟฟ้ ามีค่ามากขึ้นจนกระทัง่ กระแสคงที่ ทาให้อิเล็กตรอนทุกตัวมีพลังงานมากพอจึงสามารถเคลื่อนที่ดว้ ยความเร็ วถึง แผ่น A และถ้าใช้ความเข้มแสงต่างกันจะพบว่าแสงที่มีความเข้มมากจะให้กระแสไฟฟ้ าสูงสุ ดมีค่ามากกว่า ต่อจากนั้นกลับขั้วไฟฟ้ าและเพิ่มความต่างศักย์จนกระทัง่ กระแสไฟฟ้ าเป็ นศูนย์ ทาให้อิเล็กตรอนที่มีความเร็ วมากที่สุด หรื อพลังงานจลน์สูงสุ ดหยุดนิ่ ง เรี ยกความต่างศักย์น้ ี ว่า ความต่างศักย์หยุดยั้ง (Stopping Potential ) แทนด้วย VS ดังนั้นจะได้ พลังงานจลน์สูงสุ ดของโฟโตอิเล็กตรอน คือ


ชื่อหน่วยการเรี ยน ฟิ สกิ ส์อะตอม ครูผ้ สู อน มิสวิไลวรรณ งามสุนทรเลิศ .หน้ า 2 . ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------โดยที่

แทน พลังงานจลน์สูงสุ ดของอิเล็กตรอน มีหน่วยเป็ นจูล ( J ) e แทน ประจุไฟฟ้ าของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 1.6 x 10-19 คูลอมบ์ (C) VS แทน ความต่างศักย์หยุดยั้ง มีหน่วยเป็ นโวลต์ (V) m แทน มวลของอิเล็กตรอนมีค่า 9.1x10-31 kg แทน ความเร็ วสูงสุ ดของอิเล็กตรอน (m/s) จากการทดลองเมื่อ ฉายแสงความถี่ ต่าง ๆ กันลงบนแผ่นโลหะ C พบว่า ถ้าให้ความถี่ แสงมากกว่าความถี่ ค่าหนึ่ ง อิเล็กตรอนจึงจะหลุดจากผิวโลหะได้ ความถี่น้ ีเรี ยกว่าความถี่ขีดเริ่ ม ( ) และเมื่อให้ความถี่มากกว่าความถี่ขีดเริ่ มแล้ว พบว่าวัด ค่าศักย์หยุดยั้งในแต่ละกรณีของแสงที่ใช้ฉาย เมื่อนามาหาความสัมพันธ์แสดงได้ดว้ ยกราฟดังรู ป

รูป กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความถี่แสงและความต่างศักย์หยุดยัง้ ไอน์สไตน์(Einstein) ได้ อธิบายเกี่ยวกับปรากฏการณ์ โฟโตอิเล็กทริ ก โดยเสนอทฤษฎีเกี่ยวกับโฟโตอิเล็กตรอนว่า เมื่อ แสงซึ่งมีลกั ษณะเป็ นอนุภาคที่ประกอบด้ วยก้ อนพลังงานเล็ก ๆ เรี ยกว่า โฟตอน (Photon) โดยโฟตอนแต่ละก้ อนจะมีพลังงาน เท่ากับ เมื่อโฟตอนตกกระทบโลหะ พลังงาน ของโฟตอนจะถ่ายให้ กบั อิเล็กตรอนในโลหะตัวต่อตัว และในการที่อิเล็กตรอน จะหลุดจากอะตอมของผิวโลหะ อิเล็กตรอนจะต้ องได้ รับพลังงานจากโฟตอนอย่างน้ อยเท่ากับค่าฟั งก์ชันงาน (Work Function) ซึ่งเป็ นพลังงานยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนไว้ กบั อะตอมนัน้ ถ้ าพลังงานที่ได้ รับมากกว่าค่าฟั งค์ชันงาน พลังงานส่วนที่เหลือจะปรากฏ เป็ นพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน ถ้ าแสงมีความถี่ ตกกระทบแผ่นโลหะที่มีคา่ ฟั งค์ชนั ของงาน W พลังงานที่เหลือคือพลังงานจลน์สงู สุด ของ อิเล็กตรอนหลุดออกมา ดังรูป

รูป แสดงโฟตอน ค่าฟั งก์ชนั งานและพลังงานจลน์สงู สุดของโฟโตอิเล็กตรอน


ชื่อหน่วยการเรี ยน ฟิ สกิ ส์อะตอม ครูผ้ สู อน มิสวิไลวรรณ งามสุนทรเลิศ .หน้ า 3 . ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ซึ่งเขียนความสัมพันธ์ตามทฤษฎีเกี่ยวกับโฟโตอิเล็กตรอนเป็ นสมการได้ว่า พลังงานจลน์สูงสุ ดของอิเล็กตรอน = พลังงานทั้งหมดของโฟตอน – ฟังค์ชนั งานของโลหะ = – (1) เมื่อ คือ พลังงานจลน์สูงสุ ดของโฟโตอิเล็กตรอนมีหน่วยเป็ นอิ เล็กตรอนโวลท์ (eV) ซึ่ง พลังงาน 1 eV มีค่าเท่ากับ 1.6 x 10-19 จูล (J) คือ พลังงานของโฟตอน 1 ตัว มีหน่วยเป็ นอิเล็กตรอนโวลท์ (eV) โดยที่ คือ ความถี่ของแสงซึ่ง โดยที่ คือความเร็ วแสงมีค่า 3x108 m/s และ

คือ ความยาวคลื่นของแสง ในหน่วยเมตร W คือ ค่าฟังก์ชนั งานของโลหะ (ขึ้นอยูก่ บั ชนิดของโลหะ) มีหน่วยเป็ นอิเล็กตรอนโวลท์ (eV) เรี ย กสมการที่ (1) ว่ า สมการโฟโตอิ เ ล็ ก ตรอนของไอน์ ส ไตน์ โดยสมการนี้ จะพบว่ า พลัง งานจลน์ สู ง สุ ด ของ โฟโตอิเล็กตรอนขึ้นอยูก่ บั ความถี่ของแสง ทั้งนี้เพราะค่าฟังค์ชนั งานของของโลหะเป็ นค่าคงที่สาหรับโลหะแต่ละชนิด ถ้าใช้แสงที่มีความถี่ต่าจนกระทัง่ พลังงานของโฟตอน อิเล็กตรอนจะไม่หลุดจากผิวโลหะ และกรณี ที่ให้แสงมีความถี่ พอดีที่ทาให้อิเล็กตรอนหลุดจากผิวโลหะซึ่งก็คือความถี่ขีดเริ่ ม ( ) ตกกระทบโลหะ อิเล็กตรอนจะมีพลังงานจลน์เป็ นศูนย์ จาก สมการที่ (1) จะได้ จากการทดลองเราสามารถหาพลังงานจลน์สูงสุ ดของอิเล็กตรอนได้จากความต่างศักย์หยุดยั้ง ดังนั้นสมการพลังงานจลน์ สูงสุ ดของอิเล็กตรอนอาจเขียนได้ใหม่ดงั นี้ = – =


โรงเรียนอัสสัมชัญศรี ราชา ใบงานที่ 3 กลุม่ สาระการเรี ยนรู้ วิทยาศาสตร์ รายวิชา สมบัตเิ ชิงกลของสสารและความร้ อน ชัน้ ม.6/1-4 . ชื่อหน่วยการเรี ยน ฟิ สกิ ส์อะตอม ครูผ้ สู อน มิสวิไลวรรณ งามสุนทรเลิศ . -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------คาสั่ง จงแสดงวิธีทาอย่างละเอียด 1. เมื่อฉายแสงอัลตราไวโอเลต ความยาวคลื่น 250 นาโนเมตร ลงบนผิวแมกนีเซียม ปรากฏว่าต้ องใช้ ศกั ย์หยุดยัง้ 0.6 โวลต์ จงหาความถี่ขีดเริ่มของแมกนีเซียม ........................................................................................................................................... .................................................................. .................................................................................................................................................................................... ......................... ............................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................. ................................................................................ ............................................................................................................................. ................................................................................ 2. กาหนดให้ คา่ พลังงานยึดเหนี่ยวของแผ่นทองแดง เท่ากับ 4.2 อิเล็กตรอนโวลต์ ต้ องฉายแสงที่มีความยาวคลื่นเท่าใด จึงเกิดปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ............................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................. ................................................................................ ............................................................................................................................. ................................................................................ ............................................................................................................................. ................................................................................ ............................................................................................................................. ................................................................................ 3. ในปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริ ก ถ้ าโลหะที่ใช้ มีฟังก์ชนั งาน 0.8 อิเล็กตรอนโวลต์ โฟตอนของแสงที่มีความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร จะทาให้ อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากผิวที่ความเร็วสูงสุดเ���่าใด ........................................................................................................................................................................................................... .. ....................................................................................................................... ...................................................................................... ............................................................................................................................. ................................................................................ ............................................................................................................................. ................................................................................ ............................................................................................................................. ................................................................................ 4. จงหาความยาวคลื่นของแสงที่ตกกระทบผิวโลหะซึ่งมีพลังงานยึดเหนี่ยว 2 อิเล็กตรอนโวลต์ แล้ วทาให้ โฟโตอิเล็กตรอน ที่หลุดออกมามีพลังงาน 4 อิเล็กตรอนโวลต์ ............................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................. ................................................................................ ............................................................................................................................. ................................................................................ ............................................................................................................................. ................................................................................ ................................................................................................................................................ ............................................................. ................................................................................................................................................ .............................................................


Week 11