Fotoelektrický efekt: definice, rovnice a experiment

Všechno, co se naučila klasická fyzika, se obrátilo na hlavu, když fyzici zkoumali stále menší říše a objevovali kvantové efekty. Mezi první z těchto objevů patřil fotoelektrický jev. Na počátku 20. století se výsledky tohoto efektu neshodovaly s klasickými předpovědi a byly vysvětlitelné pouze pomocí kvantové teorie, což fyzikům otevřelo zcela nový svět.

Dnes má fotoelektrický efekt také mnoho praktických aplikací. Od lékařského zobrazování až po výrobu čisté energie má objev a aplikace tohoto efektu důsledky, které jdou daleko za pouhé porozumění vědě.

Když světlo nebo elektromagnetické záření zasáhne materiál, jako je kovový povrch, tento materiál někdy emituje elektrony, tzvfotoelektrony. Je to v podstatě proto, že atomy v materiálu absorbují záření jako energii. Elektrony v atomech absorbují záření skokem na vyšší energetické úrovně. Pokud je absorbovaná energie dostatečně vysoká, elektrony zcela opustí svůj domovský atom.

Tento proces se někdy také nazývá

Nejvýznamnější na fotoelektrickém jevu však bylo, že se neřídil klasickými předpovědi. Způsob, jakým byly emitovány elektrony, počet, které byly emitovány, a jak se to změnilo s intenzitou světla, to vedlo k tomu, že si vědci nejprve škrábali hlavy.

Původní předpovědi týkající se výsledků fotoelektrického jevu provedeného z klasické fyziky zahrnovaly následující:

1. Přenosy energie z dopadajícího záření na elektrony. Předpokládalo se, že jakákoli energie dopadající na materiál bude přímo absorbována elektrony v atomech, bez ohledu na vlnovou délku. To má v paradigmatu klasické mechaniky smysl: Cokoli nalijete do kbelíku, kbelík o tuto částku vyplní.
2. Změny intenzity světla by měly vést ke změnám kinetické energie elektronů. Pokud se předpokládá, že elektrony absorbují jakékoli záření, které na ně dopadá, pak by jim více stejného záření mělo odpovídajícím způsobem poskytnout více energie. Jakmile elektrony opustí hranice svých atomů, je tato energie viděna ve formě kinetické energie.
3. Světlo velmi nízké intenzity by mělo vést k časovému zpoždění mezi absorpcí světla a emisí elektronů. Bylo by to proto, že se předpokládalo, že elektrony musí získat dostatek energie, aby opustily svůj domovský atom, a světlo s nízkou intenzitou je jako přidávat energii do svého energetického „kbelíku“ pomaleji. Plnění trvá déle, a proto by mělo trvat déle, než budou elektrony mít dostatek energie na to, aby mohly být emitovány.

Skutečné výsledky nebyly vůbec v souladu s předpovědi. To zahrnovalo následující:

1. Elektrony byly uvolněny pouze tehdy, když dopadající světlo dosáhlo nebo překročilo prahovou frekvenci. Pod touto frekvencí nedošlo k žádné emisi. Nezáleželo na tom, zda byla intenzita vysoká nebo nízká. Z nějakého důvodu byla mnohem důležitější frekvence nebo vlnová délka samotného světla.
2. Změny intenzity nepřinesly změny v kinetické energii elektronů. Změnili pouze počet emitovaných elektronů. Jakmile bylo dosaženo prahové frekvence, zvýšení intenzity nepřidávalo více energie každému emitovanému elektronu vůbec. Místo toho všichni skončili se stejnou kinetickou energií; bylo jich víc.
3. Při nízké intenzitě nedošlo k žádnému časovému zpoždění. Zdálo se, že není zapotřebí žádný čas na „naplnění energetického kbelíku“ jakéhokoli daného elektronu. Pokud měl být emitován elektron, byl emitován okamžitě. Nižší intenzita neměla žádný vliv na kinetickou energii nebo dobu zpoždění; jednoduše to vyústilo v méně emitovaných elektronů.

Jediným způsobem, jak vysvětlit tento jev, bylo vyvolat kvantovou mechaniku. Nepřemýšlejte o paprsku světla ne o vlně, ale o souboru diskrétních vlnových balíčků zvaných fotony. Všechny fotony mají odlišné energetické hodnoty, které odpovídají frekvenci a vlnové délce světla, jak je vysvětleno dualitou vlnových částic.

Kromě toho vezměte v úvahu, že elektrony jsou schopné skákat pouze mezi diskrétními energetickými stavy. Mohou mít pouze konkrétní energetické hodnoty, ale nikdy žádné hodnoty mezi nimi. Pozorované jevy lze nyní vysvětlit takto:

1. Elektrony se uvolňují pouze tehdy, když absorbují velmi specifické dostatečné energetické hodnoty. Jakýkoli elektron, který získá správný energetický balíček (energii fotonu), bude uvolněn. Žádné není uvolněno, pokud je frekvence dopadajícího světla příliš nízká bez ohledu na intenzitu, protože žádný z energetických balíčků není dostatečně velký.
2. Jakmile je prahová frekvence překročena, zvyšující se intenzita pouze zvyšuje počet elektronů uvolněná a nikoli energie samotných elektronů, protože každý emitovaný elektron absorbuje jeden diskrétní foton. Vyšší intenzita znamená více fotonů, a tedy více fotoelektronů.
3. Neexistuje žádné časové zpoždění ani při nízké intenzitě, pokud je frekvence dostatečně vysoká, protože jakmile elektron získá správný energetický balíček, je uvolněn. Nízká intenzita má za následek pouze méně elektronů.

Jedním důležitým konceptem souvisejícím s fotoelektrickým efektem je pracovní funkce. Také známá jako energie vázající elektrony, je to minimální energie potřebná k odstranění elektronu z pevné látky.

Vzorec pro pracovní funkci je dán vztahem:

Kde-Eje elektronový náboj,ϕje elektrostatický potenciál ve vakuu v blízkosti povrchu aEje Fermiho hladina elektronů v materiálu.

Elektrostatický potenciál se měří ve voltech a je mírou elektrické potenciální energie na jednotku náboje. Proto první výraz ve výrazu,-eϕ, je elektrická potenciální energie elektronu v blízkosti povrchu materiálu.

Hladinu Fermiho lze považovat za energii nejvzdálenějšího elektronu, když je atom v základním stavu.

S pracovní funkcí úzce souvisí prahová frekvence. Toto je minimální frekvence, při které dopadající fotony způsobí emisi elektronů. Frekvence přímo souvisí s energií (vyšší frekvence odpovídá vyšší energii), proto musí být dosaženo minimální frekvence.

Nad prahovou frekvencí závisí kinetická energie elektronů na frekvenci, nikoli na intenzitě světla. Energie jediného fotonu bude v zásadě přenesena úplně na jediný elektron. Určité množství této energie se používá k vysunutí elektronu a zbytek je jeho kinetická energie. Větší intenzita opět znamená, že bude emitováno více elektronů, ne to, že ty emitované budou mít další energii.

Maximální kinetickou energii emitovaných elektronů lze zjistit pomocí následující rovnice:

KdeK._maxje maximální kinetická energie fotoelektronu,hje Planckova konstanta = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,Fje frekvence světla aF₀je prahová frekvence.

Objev fotoelektrického jevu si můžete představit ve dvou fázích. Za prvé, objev emise fotoelektronů z určitých materiálů v důsledku dopadajícího světla, a za druhé, stanovení že tento efekt vůbec neposlouchá klasickou fyziku, což vedlo k mnoha důležitým základům našeho chápání kvanta mechanika.

Heinrich Hertz poprvé pozoroval fotoelektrický efekt v roce 1887 při provádění experimentů s generátorem jiskřiště. Nastavení zahrnovalo dva páry kovových koulí. Jiskry generované mezi první sadou koulí by přiměly skoky jisker mezi druhou sadou, a působily by tak jako měnič a přijímač. Hertz dokázal zvýšit citlivost nastavení tím, že na něj posvítil. O několik let později J.J. Thompson zjistil, že zvýšená citlivost je výsledkem světla způsobujícího vysunutí elektronů.

Zatímco Hertzův asistent Phillip Lenard zjistil, že intenzita neovlivňuje kinetickou energii fotoelektronů, prahovou frekvenci objevil Robert Millikan. Později Einstein dokázal vysvětlit podivný jev předpokládáním kvantování energie.

Albert Einstein získal v roce 1921 Nobelovu cenu za objev zákona o fotoelektriku efekt a Millikan získal Nobelovu cenu v roce 1923 také za práci související s porozuměním fotoelektriku účinek.

Fotoelektrický efekt má mnoho využití. Jedním z nich je, že umožňuje vědcům zkoumat hladiny elektronové energie v hmotě stanovením prahové frekvence, při které dopadající světlo způsobuje vyzařování. Trubice fotonásobiče využívající tento efekt byly také použity ve starších televizních kamerách.

Velmi užitečnou aplikací fotoelektrického jevu je konstrukce solárních panelů. Solární panely jsou pole fotovoltaických článků, což jsou články, které k výrobě proudu využívají elektrony vystřelené z kovů slunečním zářením. Od roku 2018 jsou téměř 3 procenta světové energie generována solárními panely, ale toto číslo je se očekává, že v příštích několika letech značně poroste, zejména pokud jde o účinnost těchto panelů zvyšuje.

Nejdůležitější ze všeho je však objev a porozumění fotoelektrickému jevu položilo základy pro oblast kvantové mechaniky a lepší pochopení podstaty světla.

Existuje mnoho experimentů, které lze provést v úvodní fyzikální laboratoři k prokázání fotoelektrického jevu. Některé z nich jsou složitější než jiné.

Jednoduchý experiment demonstruje fotoelektrický efekt pomocí elektroskopu a UV-C lampy poskytující ultrafialové světlo. Umístěte záporný náboj na elektroskop tak, aby se jehla vychýlila. Poté zářte lampou UV-C. Světlo z lampy uvolní elektrony z elektroskopu a vybije jej. Zjistíte to tak, že uvidíte zmenšení průhybu jehly. Pamatujte však, že pokud byste zkusili stejný experiment s kladně nabitým elektroskopem, nefungovalo by to.

Existuje mnoho dalších možných způsobů experimentování s fotoelektrickým efektem. Několik nastavení zahrnuje fotobuňku sestávající z velké anody, která při dopadu dopadajícího světla uvolní elektrony, které jsou zachyceny katodou. Pokud je toto nastavení připojeno například k voltmetru, fotoelektrický efekt se projeví, když světlo vytvoří napětí.

Složitější nastavení umožňují přesnější měření a dokonce vám umožňují určit pracovní funkci a prahové frekvence pro různé materiály. Odkazy najdete v části Zdroje.