Фотоелектричен ефект: Определение, уравнение и експеримент

Всичко научено в класическата физика беше обърнато на главата си, докато физиците изследваха все по-малките сфери и откриваха квантовите ефекти. Сред първите от тези открития е фотоелектричният ефект. В началото на 1900 г. резултатите от този ефект не успяха да съвпаднат с класическите прогнози и бяха обясними само с квантовата теория, отваряйки цял нов свят за физиците.

Днес фотоелектричният ефект има и много практически приложения. От медицинското изобразяване до производството на чиста енергия, откриването и прилагането на този ефект сега има последици, които надхвърлят простото разбиране на науката.

Когато светлината или електромагнитното излъчване удари материал като метална повърхност, този материал понякога излъчва електрони, нареченифотоелектрони. Това е по същество, защото атомите в материала поглъщат радиацията като енергия. Електроните в атомите поглъщат радиацията, скачайки до по-високи енергийни нива. Ако абсорбираната енергия е достатъчно висока, електроните изцяло напускат родния си атом.

Този процес понякога се нарича ощефотоемисиязащото падащите фотони (друго име за частици светлина) са пряката причина за излъчването на електрони. Тъй като електроните имат отрицателен заряд, металната плоча, от която са излъчени, се оставя йонизирана.

Най-особеното при фотоелектричния ефект обаче беше, че той не следваше класическите прогнози. Начинът, по който се излъчват електроните, броят, който се излъчва и как това се променя с интензивността на светлината, всички оставят учените да си чешат главите първоначално.

Оригиналните прогнози за резултатите от фотоелектричния ефект, направени от класическата физика, включват следното:

1. Прехвърлянето на енергия от падаща радиация към електроните. Предполагаше се, че каквато и енергия да пада върху материала, ще бъде пряко погълната от електроните в атомите, независимо от дължината на вълната. Това има смисъл в парадигмата на класическата механика: Каквото и да излеете в кофата, напълва кофата с тази сума.
2. Промените в интензитета на светлината трябва да доведат до промени в кинетичната енергия на електроните. Ако се предполага, че електроните поглъщат каквото и да е лъчение, което им пада, тогава повече от същото излъчване трябва да им даде повече енергия съответно. След като електроните напуснат границите на своите атоми, тази енергия се вижда под формата на кинетична енергия.
3. Светлината с много ниска интензивност трябва да доведе до забавяне във времето между поглъщането на светлина и излъчването на електрони. Това би било така, защото се предполагаше, че електроните трябва да спечелят достатъчно енергия, за да напуснат домашния си атом, а светлината с ниска интензивност е като добавяне на енергия към енергийната им „кофа“ по-бавно. Запълването отнема повече време и следователно трябва да отнеме повече време, преди електроните да имат достатъчно енергия за излъчване.

Действителните резултати изобщо не бяха в съответствие с прогнозите. Това включва следното:

1. Електроните се освобождават само когато падащата светлина достигне или надвиши прагова честота. Няма емисии под тази честота. Нямаше значение дали интензивността е висока или ниска. По някаква причина честотата или дължината на вълната на самата светлина бяха много по-важни.
2. Промените в интензитета не доведоха до промени в кинетичната енергия на електроните. Те промениха само броя на излъчените електрони. След като се достигне праговата честота, увеличаването на интензитета изобщо не добавя повече енергия към всеки излъчен електрон. Вместо това всички те завършиха с една и съща кинетична енергия; просто имаше повече от тях.
3. Нямаше забавяне във времето при ниски интензитети. Изглежда, че не е необходимо време за „напълване на енергийната кофа“ на даден електрон. Ако е трябвало да се излъчи електрон, той е бил излъчен незабавно. По-ниският интензитет няма ефект върху кинетичната енергия или времето на забавяне; това просто доведе до по-малко излъчвани електрони.

Единственият начин да се обясни това явление е да се приложи квантовата механика. Представете си лъча светлина не като вълна, а като колекция от дискретни вълнови пакети, наречени фотони. Всички фотони имат различни енергийни стойности, които съответстват на честотата и дължината на вълната на светлината, както се обяснява с двойствеността на вълновите частици.

В допълнение, помислете, че електроните могат да скачат само между отделни енергийни състояния. Те могат да имат само специфични енергийни стойности, но никога никакви стойности между тях. Сега наблюдаваните явления могат да бъдат обяснени по следния начин:

1. Електроните се освобождават само когато абсорбират много специфични достатъчно енергийни стойности. Всеки електрон, който получи правилния енергиен пакет (фотонна енергия), ще бъде освободен. Никой не се освобождава, ако честотата на падащата светлина е твърде ниска, независимо от интензитета, тъй като нито един от енергийните пакети не е достатъчно голям поотделно.
2. След като праговата честота бъде надвишена, нарастващата интензивност само увеличава броя на електроните освободен, а не енергията на самите електрони, защото всеки излъчен електрон поглъща един дискретен фотон. По-големият интензитет означава повече фотони, а оттам и повече фотоелектрони.
3. Няма забавяне във времето дори при ниска интензивност, стига честотата да е достатъчно висока, защото веднага щом електронът получи правилния енергиен пакет, той се освобождава. Ниският интензитет води само до по-малко електрони.

Една важна концепция, свързана с фотоелектрическия ефект, е работната функция. Известна също като електрон-свързваща енергия, тя е минималната енергия, необходима за отстраняване на електрон от твърдо вещество.

Формулата за работната функция се дава от:

Където-ее електронният заряд,ϕе електростатичният потенциал във вакуума близо до повърхността иЕ.е нивото на Ферми на електроните в материала.

Електростатичният потенциал се измерва във волта и е мярка за електрическата потенциална енергия на единица заряд. Оттук и първият член в израза,-eϕ, е електрическата потенциална енергия на електрон близо до повърхността на материала.

Нивото на Ферми може да се разглежда като енергия на най-външния електрон, когато атомът е в основно състояние.

Тясно свързана с работната функция е праговата честота. Това е минималната честота, при която падащите фотони ще предизвикат излъчването на електрони. Честотата е пряко свързана с енергията (по-висока честота съответства на по-висока енергия), следователно защо трябва да се достигне минимална честота.

Над праговата честота кинетичната енергия на електроните зависи от честотата, а не от интензивността на светлината. По същество енергията на един фотон ще бъде прехвърлена изцяло на един електрон. Определено количество от тази енергия се използва за изхвърляне на електрона, а останалата част е неговата кинетична енергия. Отново, по-голямата интензивност просто означава, че ще бъдат излъчени повече електрони, а не че излъчените ще имат повече енергия.

Максималната кинетична енергия на излъчваните електрони може да бъде намерена чрез следното уравнение:

КъдетоК_максе максималната кинетична енергия на фотоелектрона,зе константата на Планк = 6,62607004 × 10^-34 м²kg / s,ее честотата на светлината ие₀е праговата честота.

Можете да мислите за откриването на фотоелектрическия ефект като за два етапа. Първо, откриването на емисията на фотоелектрони от определени материали в резултат на падаща светлина и второ, определянето че този ефект изобщо не се подчинява на класическата физика, което доведе до много важни основи на нашето разбиране за кванта механика.

Хайнрих Херц за първи път наблюдава фотоелектричния ефект през 1887 г., докато извършва експерименти с генератор на искрови междини. Настройката включваше две двойки метални сфери. Искрите, генерирани между първия набор от сфери, биха накарали искрите да скачат между втория набор, като по този начин действат като преобразувател и приемник. Hertz успя да увеличи чувствителността на настройката, като я осветяваше. Години по-късно J.J. Томпсън открива, че повишената чувствителност е резултат от светлината, предизвикваща изхвърлянето на електроните.

Докато асистентът на Hertz Филип Ленард определи, че интензитетът не влияе върху кинетичната енергия на фотоелектроните, Робърт Миликан е този, който откри праговата честота. По-късно Айнщайн успя да обясни странното явление, като предположи квантуването на енергията.

Алберт Айнщайн е удостоен с Нобелова награда през 1921 г. за откриването на закона на фотоелектрика ефект, а Миликан печели Нобелова награда през 1923 г. също за работа, свързана с разбирането на фотоелектрика ефект.

Фотоелектричният ефект има много приложения. Един от тях е, че той позволява на учените да изследват нивата на електронната енергия в материята, като определят праговата честота, при която падащата светлина причинява емисия. Фотоумножителните тръби, използващи този ефект, се използват и в по-старите телевизионни камери.

Много полезно приложение на фотоелектричния ефект е при изграждането на слънчеви панели. Слънчевите панели са масиви от фотоволтаични клетки, които представляват клетки, които използват електроните, изхвърлени от металите чрез слънчева радиация, за да генерират ток. Към 2018 г. близо 3% от енергията в света се генерира от слънчеви панели, но този брой е очаква се да нарасне значително през следващите няколко години, особено като ефективност на такива панели се увеличава.

Но най-важното от всичко е, че откриването и разбирането на фотоелектрическия ефект положи основите на областта на квантовата механика и по-доброто разбиране на природата на светлината.

Има много експерименти, които могат да бъдат проведени в уводна физическа лаборатория, за да се демонстрира фотоелектричният ефект. Някои от тях са по-сложни от други.

Прост експеримент демонстрира фотоелектричния ефект с електроскоп и UV-C лампа, осигуряваща ултравиолетова светлина. Поставете отрицателен заряд върху електроскопа, така че иглата да се отклони. След това осветете UV-C лампата. Светлината от лампата ще освободи електрони от електроскопа и ще го разреди. Можете да разберете, че това се случва, като видите намаляване на деформацията на иглата. Имайте предвид обаче, че ако опитате същия експеримент с положително зареден електроскоп, той няма да работи.

Има много други възможни начини да експериментирате с фотоелектричния ефект. Няколко настройки включват фотоклетка, състояща се от голям анод, който, когато бъде ударен с падаща светлина, ще освободи електрони, които се улавят от катод. Ако тази настройка е свързана например с волтметър, фотоелектричният ефект ще стане очевиден, когато осветлението създава напрежение.

По-сложните настройки позволяват по-точно измерване и дори ви позволяват да определите работната функция и праговите честоти за различни материали. Вижте раздела Ресурси за връзки.