Stopping Potential Explained: Definition, Formula, And Uses

Stopping Potential: An In-Depth Explanation

Hello! You've asked about stopping potential, which is a really important concept in physics, particularly when we're talking about the photoelectric effect and how electrons behave. I'm here to give you a clear, detailed, and accurate explanation so you can fully understand what it means.

Correct Answer:

Stopping potential is the minimum negative voltage applied to the anode of a photoelectric cell that is required to stop the most energetic photoelectrons from reaching the anode, thus reducing the photoelectric current to zero.

Detailed Explanation:

Let's dive deeper into what stopping potential actually means. To understand this, we need to first touch on the photoelectric effect, the kinetic energy of emitted electrons, and how voltage affects their movement.

Understanding the Photoelectric Effect

The photoelectric effect is a phenomenon where electrons are emitted from a metal surface when light of a certain frequency (or higher) shines on it. Here's a breakdown:

• Light as Particles: Light can be thought of as tiny packets of energy called photons. Each photon has an energy E which is related to its frequency f by the equation E = hf, where h is Planck's constant.

• Electron Ejection: When a photon strikes the metal surface, it can transfer its energy to an electron. If the photon's energy is greater than the work function (Φ) of the metal, the electron can be ejected from the surface. The work function is the minimum energy required to remove an electron from the metal.

• Kinetic Energy of Ejected Electrons: The ejected electrons are called photoelectrons. The maximum kinetic energy (KEmax) of these photoelectrons is given by: KEmax = hf - Φ

  This equation tells us that the maximum kinetic energy of the photoelectrons depends on the energy of the incoming photon (hf) and the work function (Φ) of the metal.

The Role of Stopping Potential

Now, let’s introduce the concept of stopping potential (Vs). Imagine we set up an experiment to study the photoelectric effect. We have a metal plate (the cathode) that emits photoelectrons when light shines on it, and another plate (the anode) that collects these electrons. The flow of electrons from the cathode to the anode constitutes a photoelectric current.

• Applying a Voltage: We can apply a voltage between the cathode and the anode. If the anode is made positive with respect to the cathode, the electrons are attracted towards it, increasing the photoelectric current. However, if we make the anode negative with respect to the cathode, the electrons are repelled.
• Slowing Down Electrons: By making the anode negative, we create an electric field that opposes the motion of the photoelectrons. The electrons need to have enough kinetic energy to overcome this repulsive force to reach the anode.
• Stopping Potential Defined: The stopping potential (Vs) is the specific negative voltage applied to the anode that is just sufficient to stop the most energetic photoelectrons from reaching the anode. When this voltage is applied, the photoelectric current becomes zero because no electrons can make it across the gap.

Why Stopping Potential Matters

Stopping potential is crucial because it gives us a direct measure of the maximum kinetic energy of the photoelectrons. The relationship between stopping potential and maximum kinetic energy is given by:

KEmax = eVs

where:

• e is the elementary charge (the charge of an electron), approximately 1.602 × 10-19 Coulombs
• Vs is the stopping potential

From this equation, we can see that by measuring the stopping potential, we can determine the maximum kinetic energy of the emitted electrons, and thus gain insights into the photoelectric effect and the properties of the metal surface.

Step-by-Step Explanation

Let's break it down further:

1. Light Incidence: Light of a certain frequency shines on a metal surface, causing photoelectrons to be emitted.
2. Electron Emission: These photoelectrons have varying kinetic energies, up to a maximum value (KEmax).
3. Applying Reverse Voltage: A negative voltage is applied to the anode, creating an electric field that opposes the motion of the photoelectrons.
4. Increasing Voltage: The negative voltage is gradually increased until the photoelectric current drops to zero.
5. Stopping Potential Achieved: The voltage at which the photoelectric current becomes zero is the stopping potential (Vs).
6. Calculating Maximum Kinetic Energy: The maximum kinetic energy of the photoelectrons is then calculated using the equation KEmax = eVs.

Key Concepts

• Photoelectric Effect: The emission of electrons from a metal surface when light shines on it.
• Work Function (Φ): The minimum energy required to remove an electron from the metal surface.
• Photon: A quantum of light energy, with energy E = hf.
• Kinetic Energy (KE): The energy of motion. For photoelectrons, it’s the energy they possess when they are emitted.
• Stopping Potential (Vs): The negative voltage applied to the anode that stops the most energetic photoelectrons from reaching it, making the photoelectric current zero.
• Elementary Charge (e): The magnitude of the electric charge carried by a single proton or electron, approximately 1.602 × 10-19 Coulombs.

Real-World Applications and Examples

• Photomultipliers: These devices use the photoelectric effect and stopping potential principles to detect very weak light signals. They are used in scientific instruments, medical imaging, and night-vision devices.
• Solar Cells: Although they don't directly use stopping potential in their primary function, understanding the photoelectric effect and electron behavior is fundamental to their design and operation. Solar cells convert light into electricity based on similar principles.
• Light Sensors: Various light sensors, such as those used in cameras and automatic lighting systems, rely on the photoelectric effect. The stopping potential concept helps in calibrating and understanding their sensitivity.

Common Misconceptions

• Misconception: Stopping potential depends on the intensity of light.
  • Clarification: Stopping potential depends only on the frequency of the light and the work function of the metal. Increasing the intensity of light increases the number of photoelectrons emitted but does not affect their maximum kinetic energy or the stopping potential.
• Misconception: All photoelectrons have the same kinetic energy.
  • Clarification: Photoelectrons have a range of kinetic energies, from zero up to a maximum value (KEmax). The stopping potential is related to this maximum kinetic energy.

Key Takeaways:

• Stopping potential is the minimum negative voltage required to stop the most energetic photoelectrons.
• It provides a direct measure of the maximum kinetic energy of the photoelectrons: KEmax = eVs.
• Stopping potential depends on the frequency of the light and the work function of the metal, not the intensity of the light.
• Understanding stopping potential is crucial for understanding the photoelectric effect and its applications.

I hope this detailed explanation has helped you grasp the concept of stopping potential! If you have any more questions, feel free to ask!

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स्टॉपिंग पोटेंशियल: एक विस्तृत स्पष्टीकरण

नमस्ते! आपने स्टॉपिंग पोटेंशियल के बारे में पूछा है, जो भौतिकी में एक बहुत ही महत्वपूर्ण अवधारणा है, खासकर जब हम फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव और इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार के बारे में बात कर रहे होते हैं। मैं यहां आपको एक स्पष्ट, विस्तृत और सटीक स्पष्टीकरण देने के लिए हूं ताकि आप पूरी तरह से समझ सकें कि इसका क्या मतलब है।

सही उत्तर:

स्टॉपिंग पोटेंशियल फोटोइलेक्ट्रिक सेल के एनोड पर लगाया गया न्यूनतम नकारात्मक वोल्टेज है जो सबसे ऊर्जावान फोटोइलेक्ट्रॉनों को एनोड तक पहुंचने से रोकने के लिए आवश्यक है, इस प्रकार फोटोइलेक्ट्रिक करंट को शून्य तक कम करता है।

विस्तृत स्पष्टीकरण:

आइए गहराई से जानते हैं कि स्टॉपिंग पोटेंशियल का वास्तव में क्या मतलब है। इसे समझने के लिए, हमें पहले फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव, उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा और वोल्टेज उनके आंदोलन को कैसे प्रभावित करता है, इस पर स्पर्श करना होगा।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव को समझना

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव एक ऐसी घटना है जहां एक धातु की सतह से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं जब एक निश्चित आवृत्ति (या उच्चतर) का प्रकाश उस पर चमकता है। यहाँ एक ब्रेकडाउन है:

• प्रकाश कणों के रूप में: प्रकाश को ऊर्जा के छोटे पैकेट के रूप में माना जा सकता है जिन्हें फोटॉन कहा जाता है। प्रत्येक फोटॉन में ऊर्जा E होती है जो इसकी आवृत्ति f से संबंधित होती है, जिसे E = hf समीकरण द्वारा दर्शाया जाता है, जहां h प्लैंक का स्थिरांक है।

• इलेक्ट्रॉन का निष्कासन: जब एक फोटॉन धातु की सतह से टकराता है, तो यह अपनी ऊर्जा को एक इलेक्ट्रॉन में स्थानांतरित कर सकता है। यदि फोटॉन की ऊर्जा धातु के वर्क फंक्शन (Φ) से अधिक है, तो इलेक्ट्रॉन को सतह से निष्कासित किया जा सकता है। वर्क फंक्शन धातु से एक इलेक्ट्रॉन को हटाने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा है।

• उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा: उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों को फोटोइलेक्ट्रॉन कहा जाता है। इन फोटोइलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा (KEmax) इस प्रकार दी गई है: KEmax = hf - Φ

  यह समीकरण हमें बताता है कि फोटोइलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा आने वाले फोटॉन की ऊर्जा (hf) और धातु के वर्क फंक्शन (Φ) पर निर्भर करती है।

स्टॉपिंग पोटेंशियल की भूमिका

अब, स्टॉपिंग पोटेंशियल (Vs) की अवधारणा को पेश करते हैं। कल्पना कीजिए कि हम फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का अध्ययन करने के लिए एक प्रयोग स्थापित करते हैं। हमारे पास एक धातु की प्लेट (कैथोड) है जो प्रकाश पड़ने पर फोटोइलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करती है, और दूसरी प्लेट (एनोड) जो इन इलेक्ट्रॉनों को एकत्र करती है। कैथोड से एनोड तक इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह एक फोटोइलेक्ट्रिक करंट का गठन करता है।

• वोल्टेज लागू करना: हम कैथोड और एनोड के बीच एक वोल्टेज लागू कर सकते हैं। यदि एनोड को कैथोड के संबंध में सकारात्मक बनाया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन इसकी ओर आकर्षित होते हैं, जिससे फोटोइलेक्ट्रिक करंट बढ़ जाता है। हालांकि, अगर हम एनोड को कैथोड के संबंध में नकारात्मक बनाते हैं, तो इलेक्ट्रॉन पीछे हट जाते हैं।
• इलेक्ट्रॉनों को धीमा करना: एनोड को नकारात्मक बनाकर, हम एक विद्युत क्षेत्र बनाते हैं जो फोटोइलेक्ट्रॉनों की गति का विरोध करता है। इलेक्ट्रॉनों को एनोड तक पहुंचने के लिए इस प्रतिकारक बल को दूर करने के लिए पर्याप्त गतिज ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
• स्टॉपिंग पोटेंशियल को परिभाषित किया गया: स्टॉपिंग पोटेंशियल (Vs) एनोड पर लगाया गया विशिष्ट नकारात्मक वोल्टेज है जो सबसे ऊर्जावान फोटोइलेक्ट्रॉनों को एनोड तक पहुंचने से रोकने के लिए पर्याप्त है। जब यह वोल्टेज लगाया जाता है, तो फोटोइलेक्ट्रिक करंट शून्य हो जाता है क्योंकि कोई भी इलेक्ट्रॉन अंतर को पार नहीं कर पाता है।

स्टॉपिंग पोटेंशियल क्यों मायने रखता है

स्टॉपिंग पोटेंशियल महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हमें फोटोइलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा का सीधा माप देता है। स्टॉपिंग पोटेंशियल और अधिकतम गतिज ऊर्जा के बीच संबंध इस प्रकार दिया गया है:

KEmax = eVs

जहां:

• e मौलिक आवेश है (एक इलेक्ट्रॉन का आवेश), लगभग 1.602 × 10-19 कूलॉम
• Vs स्टॉपिंग पोटेंशियल है

इस समीकरण से, हम देख सकते हैं कि स्टॉपिंग पोटेंशियल को मापकर, हम उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा निर्धारित कर सकते हैं, और इस प्रकार फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव और धातु की सतह के गुणों में अंतर्दृष्टि प्राप्त कर सकते हैं।

चरण-दर-चरण स्पष्टीकरण

आइए इसे और तोड़ते हैं:

1. प्रकाश आपतन: एक निश्चित आवृत्ति का प्रकाश एक धातु की सतह पर चमकता है, जिससे फोटोइलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं।
2. इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन: इन फोटोइलेक्ट्रॉनों में अलग-अलग गतिज ऊर्जाएं होती हैं, अधिकतम मान (KEmax) तक।
3. विपरीत वोल्टेज लागू करना: एनोड पर एक नकारात्मक वोल्टेज लागू किया जाता है, जिससे एक विद्युत क्षेत्र बनता है जो फोटोइलेक्ट्रॉनों की गति का विरोध करता है।
4. वोल्टेज बढ़ाना: नकारात्मक वोल्टेज को धीरे-धीरे तब तक बढ़ाया जाता है जब तक कि फोटोइलेक्ट्रिक करंट शून्य तक नहीं गिर जाता।
5. स्टॉपिंग पोटेंशियल प्राप्त किया गया: वह वोल्टेज जिस पर फोटोइलेक्ट्रिक करंट शून्य हो जाता है, स्टॉपिंग पोटेंशियल (Vs) है।
6. अधिकतम गतिज ऊर्जा की गणना करना: फोटोइलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा की गणना तब समीकरण KEmax = eVs का उपयोग करके की जाती है।

मुख्य अवधारणाएँ

• फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव: एक धातु की सतह से इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन जब उस पर प्रकाश चमकता है।
• कार्य फ़ंक्शन (Φ): धातु की सतह से एक इलेक्ट्रॉन को हटाने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा।
• फोटॉन: प्रकाश ऊर्जा की एक मात्रा, ऊर्जा E = hf के साथ।
• गतिज ऊर्जा (KE): गति की ऊर्जा। फोटोइलेक्ट्रॉनों के लिए, यह वह ऊर्जा है जो उनके पास तब होती है जब वे उत्सर्जित होते हैं।
• स्टॉपिंग पोटेंशियल (Vs): एनोड पर लगाया गया नकारात्मक वोल्टेज जो सबसे ऊर्जावान फोटोइलेक्ट्रॉनों को उस तक पहुंचने से रोकता है, जिससे फोटोइलेक्ट्रिक करंट शून्य हो जाता है।
• मौलिक आवेश (e): एक एकल प्रोटॉन या इलेक्ट्रॉन द्वारा वहन किए जाने वाले विद्युत आवेश का परिमाण, लगभग 1.602 × 10-19 कूलॉम।

वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग और उदाहरण

• फोटोमल्टीप्लायर: ये उपकरण बहुत कमजोर प्रकाश संकेतों का पता लगाने के लिए फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव और स्टॉपिंग पोटेंशियल सिद्धांतों का उपयोग करते हैं। इनका उपयोग वैज्ञानिक उपकरणों, चिकित्सा इमेजिंग और नाइट-विज़न उपकरणों में किया जाता है।
• सौर सेल: हालांकि वे अपने प्राथमिक कार्य में सीधे स्टॉपिंग पोटेंशियल का उपयोग नहीं करते हैं, लेकिन फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव और इलेक्ट्रॉन व्यवहार को समझना उनके डिजाइन और संचालन के लिए मौलिक है। सौर सेल समान सिद्धांतों के आधार पर प्रकाश को बिजली में परिवर्तित करते हैं।
• प्रकाश संवेदक: विभिन्न प्रकाश संवेदक, जैसे कि कैमरे और स्वचालित प्रकाश व्यवस्था में उपयोग किए जाने वाले, फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव पर निर्भर करते हैं। स्टॉपिंग पोटेंशियल अवधारणा उनकी संवेदनशीलता को कैलिब्रेट करने और समझने में मदद करती है।

सामान्य गलत धारणाएँ

• गलत धारणा: स्टॉपिंग पोटेंशियल प्रकाश की तीव्रता पर निर्भर करता है।
  • स्पष्टीकरण: स्टॉपिंग पोटेंशियल केवल प्रकाश की आवृत्ति और धातु के कार्य फ़ंक्शन पर निर्भर करता है। प्रकाश की तीव्रता बढ़ाने से उत्सर्जित फोटोइलेक्ट्रॉनों की संख्या बढ़ जाती है लेकिन उनकी अधिकतम गतिज ऊर्जा या स्टॉपिंग पोटेंशियल प्रभावित नहीं होता है।
• गलत धारणा: सभी फोटोइलेक्ट्रॉनों में समान गतिज ऊर्जा होती है।
  • स्पष्टीकरण: फोटोइलेक्ट्रॉनों में शून्य से लेकर अधिकतम मान (KEmax) तक गतिज ऊर्जा की एक श्रृंखला होती है। स्टॉपिंग पोटेंशियल इस अधिकतम गतिज ऊर्जा से संबंधित है।

मुख्य बातें:

• स्टॉपिंग पोटेंशियल सबसे ऊर्जावान फोटोइलेक्ट्रॉनों को रोकने के लिए आवश्यक न्यूनतम नकारात्मक वोल्टेज है।
• यह फोटोइलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा का सीधा माप प्रदान करता है: KEmax = eVs।
• स्टॉपिंग पोटेंशियल प्रकाश की आवृत्ति और धातु के कार्य फ़ंक्शन पर निर्भर करता है, न कि प्रकाश की तीव्रता पर।
• स्टॉपिंग पोटेंशियल को समझना फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव और इसके अनुप्रयोगों को समझने के लिए महत्वपूर्ण है।

मुझे उम्मीद है कि इस विस्तृत स्पष्टीकरण ने आपको स्टॉपिंग पोटेंशियल की अवधारणा को समझने में मदद की है! यदि आपके कोई और प्रश्न हैं, तो बेझिझक पूछें!