אתר מורי פיזיקה - עמוד הבית

א. מומלץ לפתוח את לימוד הנושא בתיאור התחושה שרווחה בסוף המאה ה-19, כאילו הפיזיקה בת-הזמן מסוגלת להסביר את כל תופעות הטבע. כדאי לצטט בהקשר זה את מייכלסון (1894: "החשובים שבחוקי היסוד ובעובדות כבר התגלו, והם כיום מבוססים כל כך, עד כי האפשרות שיוחלפו אי-פעם כתוצאה מגילויים חדשים רחוקה עד מאוד ...").

ב. מומלץ להדגיש כי ראיית העולם המכניסטית שרווחה בסוף המאה ה- 19 התבססה על שלושה גורמים: וודאות, דטרמיניזם וסיבתיות. בהקשר זה כדאי לצטט פיזיקאים מן המאה ה- 19. דוגמאות:

• לפלס:"מצבו הנוכחי של העולם הוא פועל יוצא של מה שהיה רגע אחד קודם".
• פואנקרה:"אילו ידענו את חוקי הטבע ואת העולם ברגע ההתחלה שלו, היינו יכולים לנבא מה יהיה מצב העולם רגע אחד אחר כך".

ג. אין חובה ללמד את הנושא "קרינה של גוף שחור", אולם כדאי לתאר את 'הקטסטרופה של האולטרה-סגול' בקשר לקרינה של גוף שחור. יש להציג את הנחת פלאנק בדבר 'חבילות' אנרגיה (קוונטים), שבאמצעותן הסביר פלאנק את התפלגות הקרינה הנפלטת מגוף שחור.

הדגמה איכותית של האפקט הפוטואלקטרי

א. כמבוא לאפקט הפוטואלקטרי, יש להציג שתי תופעות שהיו מוכרות בשלהי המאה ה- 19:

1. קרינה אולטרה-סגולה הפוגעת בכדור הטעון במטען שלילי, משפיעה על קצב ההתפרקות החשמלית בינו לבין כדור הטעון במטען חיובי. לעומת זאת, אור נראה אינו משפיע על ההתפרקות החשמלית (תגלית של הרץ משנת 1887).
2. סרט צילום מושפע מאור לבן, אולם אינו מושפע מאור אדום.

תופעות אלה לא התיישבו עם הפיזיקה הקלאסית, שבה האנרגיה של גל פרופורציונית לריבוע משׂרעת הגל.

ב. את האפקט הפוטואלקטרי מוצע להציג תחילה באמצעות ניסוי איכותי (הטלת קרינות שונות על לוחות מתכת שונים, שכל אחד מהם מונח על לוחית של אלקטרוסקופ טעון). יש להציג את הניסוי האיכותי כך שיעורר שאלות לגבי עובדות שאינן מתיישבות עם הפיזיקה הקלאסית.

ג. חשוב שתלמידים יוכלו לתאר במילים את האפקט הפוטואלקטרי ויבינו כי התופעה של עקירת אלקטרונים ממתכת על ידי קרינה אינה סותרת את התורה הקלאסית. (תלמידים נוטים לחשוב ההפך.)

חקירת תלות מתח העצירה בתדירות הקרינה הפוגעת

א. לאחר הטיפול האיכותי, יחקרו התלמידים באמצעות ניסוי את הקשר שבין מתח העצירה בתא פוטואלקטרי לבין תדירות הקרינה הפוגעת בפולט, ואת השפעת עָצמת ההארה על פליטת אלקטרונים.

ב. יש להציג את ההנחות של איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי ואת נוסחת איינשטיין. יש להדגיש את המושגים: "קוונטיזציה", "אנרגיית קשר".

ג. מומלץ להראות כי שלושת הגדלים - הקבוע של פלאנק, מכפלת תנע קווי במקום, תנע זוויתי - נמדדים כולם באותה יחידה.

ד. כדי לפשט את החישובים מומלץ לפתח את הנוסחה:

חשוב להדגיש כי נוסחה זו מתאימה רק עבור פוטונים. (תלמידים נוטים להשתמש בה גם עבור אלקטרונים.)

ה. מומלץ להציג ציטטות המעידות כי הרעיונות של איינשטיין לגבי האפקט הפוטואלקטרי נדחו על-ידי הקהילה המדעית קרוב לעשרים שנה. דוגמאות לציטטות:

הוועדה שדנה בשנת 1913 במועמדותו של איינשטיין לחברות באקדמיה הפרוסית למדעים (פלאנק היה אחד מחברי הוועדה), המליצה על קבלתו של איינשטיין בזכות הישגיו המפוארים, למרות מה שהיא כינתה "הספקולציה הלא מוצלחת שלו בדבר האופי הקוונטי של האור…".

מיליקן (1916: "…מפתיע שהתוצאות הניסיוניות מתאימות לנוסחת איינשטיין שנבעה מן התאוריה הקוונטית שכיום נזנחה").

ו. יש לציין יישומים ומנגנונים המבוססים על האפקט הפוטואלקטרי כמו מנגנוני אזעקה ומכפיל-אור.

הדגמות וניסויים

א. ניסוי איכותי להדגמת האפקט הפוטואלקטרי: מניחים לוח ברזל על אלקטרוסקופ הטעון במטען שלילי, ומאירים אותו תחילה באור לבן ואחר-כך בקרינה אולטרה-סגולה. חוזרים על הניסוי עם לוח פח מגולוון (במקום לוח הברזל). מגלים כי האלקטרוסקופ נפרק רק במצב שבו לוח הפח המגולוון מוקרן בקרינה אולטרה-סגולה.

שאלות שהניסוי מעורר:

1. מדוע אלקטרונים אינם נעקרים מלוח הברזל?
2. מדוע רק קרינה על-סגולה עוקרת אלקטרונים מלוח הפח המגולוון?
3. מדוע פליטת האלקטרונים היא מידית, גם כשהקרינה חלשה?

ב. ניסוי כמותי לחקר האפקט הפוטואלקטרי (מציאת הקשר בין תדירות הקרינה הפוגעת בפולט לבין האנרגיה הקינטית של האלקטרונים הנפלטים ממנו): מחברים את הפולט ואת הקולט של תא פוטואלקטרי למקור מתח משתנה, כך שפוטנציאל הפולט גבוה מפוטנציאל הקולט. מאירים את הפולט בתדירויות שונות של אור ובכל פעם מודדים את המתח המינימלי הדרוש (בין הקולט לפולט) כדי שאלקטרונים לא יגיעו אל הקולט (הזרם במעגל מתאפס). ניתוח הממצאים כולל גרף המתאר את האנרגיה הקינטית של האלקטרונים כפונקציה של תדירות הקרינה הפוגעת.

בניסוי זה יש לבחון גם את השפעת עָצמת ההארה על האנרגיה הקינטית של האלקטרונים.