Fotoelektrisk effekt: Definition, ligning og eksperiment

Alt, hvad man lærte i klassisk fysik, blev vendt på hovedet, da fysikere udforskede stadig mindre riger og opdagede kvanteeffekter. Blandt de første af disse opdagelser var den fotoelektriske effekt. I begyndelsen af ​​1900'erne kunne resultaterne af denne effekt ikke matche klassiske forudsigelser og kunne kun forklares med kvanteteori, hvilket åbnede en helt ny verden for fysikere.

I dag har den fotoelektriske effekt også mange praktiske anvendelser. Fra medicinsk billeddannelse til produktion af ren energi har opdagelsen og anvendelsen af ​​denne effekt nu konsekvenser, der går langt ud over blot at forstå videnskaben.

Når lys eller elektromagnetisk stråling rammer et materiale som en metaloverflade, udsender det materiale undertiden elektroner, kaldetfotoelektroner. Dette skyldes i det væsentlige atomer i materialet absorberer strålingen som energi. Elektroner i atomer absorberer stråling ved at hoppe til højere energiniveauer. Hvis den absorberede energi er høj nok, forlader elektronerne deres hjemmeatom helt.

Denne proces kaldes undertiden ogsåfotoemissionfordi indfaldende fotoner (et andet navn for lyspartikler) er den direkte årsag til emission af elektroner. Fordi elektroner har en negativ ladning, efterlades metalpladen, hvorfra de blev udsendt, ioniseret.

Hvad der var mest specielt ved den fotoelektriske effekt var imidlertid, at den ikke fulgte klassiske forudsigelser. Den måde, hvorpå elektronerne blev udsendt, antallet, der blev udsendt, og hvordan dette ændrede sig med lysintensitet, efterlod forskere oprindeligt med at skrabe hovedet.

De oprindelige forudsigelser om resultaterne af den fotoelektriske effekt fra klassisk fysik omfattede følgende:

1. Energioverførsler fra indfaldende stråling til elektronerne. Det blev antaget, at uanset hvilken energi der forekommer på materialet, ville det blive absorberet direkte af elektronerne i atomerne, uanset bølgelængde. Dette giver mening i det klassiske mekanikparadigme: Uanset hvad du hælder i spanden, fylder spanden med det beløb.
2. Ændringer i lysintensitet skal give ændringer i elektronernes kinetiske energi. Hvis det antages, at elektroner absorberer den stråling, der rammer dem, bør mere af den samme stråling give dem mere energi i overensstemmelse hermed. Når elektronerne har forladt grænserne for deres atomer, ses denne energi i form af kinetisk energi.
3. Meget lavintensivt lys skal give et tidsforsinkelse mellem lysabsorption og emission af elektroner. Dette skyldtes, at det blev antaget, at elektroner skal få nok energi til at forlade deres hjemmeatom, og lys med lav intensitet er som at tilføje energi til deres energi "spand" langsommere. Det tager længere tid at fylde, og derfor bør det tage længere tid, før elektronerne har nok energi til at blive udsendt.

De faktiske resultater var slet ikke i overensstemmelse med forudsigelserne. Dette omfattede følgende:

1. Elektroner blev kun frigivet, når det indfaldende lys nåede eller overskred en tærskelfrekvens. Ingen emission fandt sted under denne frekvens. Det gjorde ikke noget, om intensiteten var høj eller lav. Af en eller anden grund var frekvensen eller bølgelængden af ​​selve lyset meget vigtigere.
2. Ændringer i intensitet gav ikke ændringer i elektroners kinetiske energi. De ændrede kun antallet af udsendte elektroner. Når tærskelfrekvensen var nået, tilføjede intensiteten at øge intensiteten slet ikke mere energi til hver udsendte elektron. I stedet endte de alle med den samme kinetiske energi; der var bare flere af dem.
3. Der var ingen tidsforsinkelse ved lave intensiteter. Der syntes ikke at være tid til at “fylde energispanden” af en given elektron. Hvis en elektron skulle udsendes, blev den straks udsendt. Lavere intensitet havde ingen effekt på kinetisk energi eller forsinkelsestid; det resulterede simpelthen i, at der sendes færre elektroner ud.

Den eneste måde at forklare dette fænomen på var at påberåbe sig kvantemekanik. Tænk på en lysstråle ikke som en bølge, men som en samling af diskrete bølgepakker kaldet fotoner. Fotonerne har alle forskellige energiværdier, der svarer til lysets frekvens og bølgelængde som forklaret af dualitet med bølgepartikler.

Derudover skal du overveje, at elektronerne kun er i stand til at springe mellem diskrete energitilstande. De kan kun have specifikke energiværdier, men aldrig nogen værdier imellem. Nu kan de observerede fænomener forklares som følger:

1. Elektroner frigives kun, når de absorberer meget specifikke tilstrækkelige energiværdier. Enhver elektron, der får den rigtige energipakke (fotonenergi) frigives. Ingen frigives, hvis frekvensen af ​​det indfaldende lys er for lav uanset intensitet, fordi ingen af ​​energipakkerne er individuelt store nok.
2. Når tærskelfrekvensen er overskredet, øges stigende intensitet kun antallet af elektroner frigivet og ikke selve elektronernes energi, fordi hver udsendte elektron absorberer en diskret foton. Større intensitet betyder flere fotoner og dermed flere fotoelektroner.
3. Der er ingen tidsforsinkelse, selv ved lav intensitet, så længe frekvensen er høj nok, for så snart en elektron får den rigtige energipakke, frigives den. Lav intensitet resulterer kun i færre elektroner.

Et vigtigt koncept relateret til den fotoelektriske effekt er arbejdsfunktionen. Også kendt som elektronbindende energi, det er den nødvendige minimumsenergi til at fjerne en elektron fra et fast stof.

Formlen for arbejdsfunktionen er givet ved:

Hvor-eer elektronladningen,ϕer det elektrostatiske potentiale i vakuumet i nærheden af ​​overfladen ogEer Fermi-niveauet for elektroner i materialet.

Elektrostatisk potentiale måles i volt og er et mål for den elektriske potentielle energi pr. Enhedsopladning. Derfor er det første udtryk i udtrykket,-eϕer den elektriske potentielle energi af en elektron nær overfladen af ​​materialet.

Fermi-niveauet kan betragtes som energien i den yderste elektron, når atomet er i dets jordtilstand.

Tæt knyttet til arbejdsfunktionen er tærskelfrekvensen. Dette er den mindste frekvens, hvor indfaldende fotoner vil forårsage emission af elektroner. Frekvens er direkte relateret til energi (højere frekvens svarer til højere energi), hvorfor en minimumfrekvens skal nås.

Over tærskelfrekvensen afhænger elektronernes kinetiske energi af frekvensen og ikke lysets intensitet. Grundlæggende overføres energien fra en enkelt foton helt til en enkelt elektron. En vis mængde af denne energi bruges til at skubbe elektronen ud, og resten er dens kinetiske energi. Igen betyder en større intensitet bare, at flere elektroner udsendes, ikke at de udsendte vil have mere energi.

Den maksimale kinetiske energi af udsendte elektroner kan findes via følgende ligning:

HvorK_makser fotoelektronens maksimale kinetiske energi,her Plancks konstant = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,fer frekvensen af ​​lyset ogf₀er tærskelfrekvensen.

Du kan tænke på opdagelsen af ​​den fotoelektriske effekt som sker i to faser. For det første opdagelsen af ​​emissionen af ​​fotoelektroner fra visse materialer som et resultat af indfaldende lys og for det andet beslutningen at denne effekt slet ikke adlyder klassisk fysik, hvilket førte til mange vigtige understøttelser af vores forståelse af kvante mekanik.

Heinrich Hertz observerede først den fotoelektriske effekt i 1887, mens han udførte eksperimenter med en gnistgapgenerator. Opsætningen involverede to par metalkugler. Gnister genereret mellem det første sæt kugler ville få gnister til at hoppe mellem det andet sæt og dermed fungere som transducer og modtager. Hertz var i stand til at øge følsomheden af ​​opsætningen ved at skinne lys på den. År senere, J.J. Thompson opdagede, at den øgede følsomhed skyldtes, at lyset forårsagede, at elektronerne blev skubbet ud.

Mens Hertzs ​​assistent Phillip Lenard fastslog, at intensiteten ikke påvirkede fotoelektronernes kinetiske energi, var det Robert Millikan, der opdagede tærskelfrekvensen. Senere var Einstein i stand til at forklare det mærkelige fænomen ved at antage kvantisering af energi.

Albert Einstein blev tildelt Nobelprisen i 1921 for hans opdagelse af loven om fotoelektrisk effekt, og Millikan vandt Nobelprisen i 1923 også for arbejde relateret til forståelse af fotoelektrisk effekt.

Den fotoelektriske effekt har mange anvendelser. En af dem er, at det giver forskere mulighed for at undersøge elektronenerginiveauerne i stof ved at bestemme tærskelfrekvensen, hvormed indfaldende lys forårsager emission. Fotomultiplikatorrør, der bruger denne effekt, blev også brugt i ældre tv-kameraer.

En meget nyttig anvendelse af den fotoelektriske effekt er i konstruktionen af ​​solpaneler. Solpaneler er matrixer af solceller, som er celler, der bruger elektroner, der skubbes ud af metaller ved solstråling for at generere strøm. Fra og med 2018 genereres næsten 3 procent af verdens energi af solpaneler, men dette tal er forventes at vokse betydeligt i løbet af de næste mange år, især som effektiviteten af ​​sådanne paneler øges.

Men vigtigst af alt lagde opdagelsen og forståelsen af ​​den fotoelektriske effekt grunden til kvantemekanikens felt og en bedre forståelse af lysets natur.

Der er mange eksperimenter, der kan udføres i et indledende fysiklaboratorium for at demonstrere den fotoelektriske effekt. Nogle af disse er mere komplicerede end andre.

Et simpelt eksperiment demonstrerer den fotoelektriske effekt med et elektroskop og en UV-C lampe, der giver ultraviolet lys. Anbring negativ ladning på elektroskopet, så nålen afbøjes. Derefter skal du skinne UV-C lampen. Lys fra lampen frigiver elektroner fra elektroskopet og aflader det. Du kan se, at dette sker ved at se nålens afbøjning reducere. Bemærk dog, at hvis du prøvede det samme eksperiment med et positivt ladet elektroskop, ville det ikke fungere.

Der er mange andre mulige måder at eksperimentere med den fotoelektriske effekt på. Flere opsætninger involverer en fotocelle bestående af en stor anode, der, når den rammes af indfaldende lys, frigiver elektroner, der samles op af en katode. Hvis denne opsætning f.eks. Er tilsluttet et voltmeter, vil den fotoelektriske effekt blive tydelig, når lyset skinner skaber en spænding.

Mere komplekse opsætninger giver mulighed for mere nøjagtig måling og giver dig endda mulighed for at bestemme arbejdsfunktion og tærskelfrekvenser for forskellige materialer. Se afsnittet Ressourcer for links.