Φωτοηλεκτρικό εφέ: Ορισμός, εξίσωση & πείραμα

Όλα όσα έμαθαν στην κλασική φυσική γυρίστηκαν στο κεφάλι καθώς οι φυσικοί εξερεύνησαν όλο και μικρότερα πεδία και ανακάλυψαν κβαντικά εφέ. Μεταξύ των πρώτων από αυτές τις ανακαλύψεις ήταν το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Στις αρχές του 1900, τα αποτελέσματα αυτού του φαινομένου απέτυχαν να ταιριάξουν με τις κλασικές προβλέψεις και μπορούσαν να εξηγηθούν μόνο με την κβαντική θεωρία, ανοίγοντας έναν εντελώς νέο κόσμο για τους φυσικούς.

Σήμερα, το φωτοηλεκτρικό εφέ έχει πολλές πρακτικές εφαρμογές επίσης. Από την ιατρική απεικόνιση έως την παραγωγή καθαρής ενέργειας, η ανακάλυψη και η εφαρμογή αυτού του φαινομένου έχει τώρα επιπτώσεις που ξεπερνούν απλώς την κατανόηση της επιστήμης.

Όταν το φως, ή η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, χτυπά ένα υλικό όπως μια μεταλλική επιφάνεια, το υλικό αυτό εκπέμπει μερικές φορές ηλεκτρόνια, που ονομάζονταιφωτοηλεκτρόνια. Αυτό οφείλεται ουσιαστικά στο γεγονός ότι τα άτομα στο υλικό απορροφούν την ακτινοβολία ως ενέργεια. Τα ηλεκτρόνια στα άτομα απορροφούν την ακτινοβολία μεταβαίνοντας σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Εάν η απορροφούμενη ενέργεια είναι αρκετά υψηλή, τα ηλεκτρόνια αφήνουν εντελώς το άτομο στο σπίτι τους.

Αυτή η διαδικασία καλείται μερικές φορές επίσηςφωτοαποστολήεπειδή τα προσπίπτοντα φωτόνια (άλλο όνομα για σωματίδια φωτός) είναι η άμεση αιτία της εκπομπής ηλεκτρονίων. Επειδή τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο, η μεταλλική πλάκα από την οποία εκπέμπονται αφήνεται να ιονιστεί.

Αυτό που ήταν πιο ξεχωριστό για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ωστόσο, ήταν ότι δεν ακολούθησε τις κλασικές προβλέψεις. Ο τρόπος με τον οποίο εκπέμπονται τα ηλεκτρόνια, ο αριθμός που εκπέμπονται και πώς άλλαξε με την ένταση του φωτός όλοι οι επιστήμονες άφησαν αρχικά να ξύσουν το κεφάλι τους.

Οι αρχικές προβλέψεις σχετικά με τα αποτελέσματα του φωτοηλεκτρικού εφέ από την κλασική φυσική περιελάμβαναν τα εξής:

1. Μεταφορά ενέργειας από την προσπίπτουσα ακτινοβολία στα ηλεκτρόνια. Υποτίθεται ότι όποια ενέργεια προσπίπτει στο υλικό θα απορροφάται άμεσα από τα ηλεκτρόνια στα άτομα, ανεξάρτητα από το μήκος κύματος. Αυτό έχει νόημα στο παράδειγμα της κλασικής μηχανικής: Ό, τι κι αν ρίξετε στον κάδο γεμίζει τον κάδο με αυτό το ποσό.
2. Οι αλλαγές στην ένταση του φωτός θα πρέπει να αποφέρουν αλλαγές στην κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων. Εάν υποτεθεί ότι τα ηλεκτρόνια απορροφούν όποια ακτινοβολία επέρχεται πάνω τους, τότε περισσότερη από την ίδια ακτινοβολία θα πρέπει να τους δώσει περισσότερη ενέργεια ανάλογα. Μόλις τα ηλεκτρόνια αφήσουν τα όρια των ατόμων τους, αυτή η ενέργεια φαίνεται με τη μορφή κινητικής ενέργειας.
3. Το πολύ χαμηλής έντασης φως θα αποφέρει χρονική υστέρηση μεταξύ της απορρόφησης φωτός και της εκπομπής ηλεκτρονίων. Αυτό θα συνέβαινε επειδή υποτίθεται ότι τα ηλεκτρόνια πρέπει να αποκτήσουν αρκετή ενέργεια για να αφήσουν το άτομο στο σπίτι τους, και το φως χαμηλής έντασης είναι σαν να προσθέτει ενέργεια στον «κουβά» της ενέργειας πιο αργά. Χρειάζεται περισσότερος χρόνος για να γεμίσει, και ως εκ τούτου θα χρειαστεί περισσότερος χρόνος για να εκπέμψουν τα ηλεκτρόνια αρκετή ενέργεια.

Τα πραγματικά αποτελέσματα δεν ήταν καθόλου συμβατά με τις προβλέψεις. Αυτό περιελάμβανε τα εξής:

1. Τα ηλεκτρόνια απελευθερώθηκαν μόνο όταν το φως προσπίπτουσης έφτασε ή ξεπέρασε μια συχνότητα κατωφλίου. Δεν σημειώθηκε εκπομπή κάτω από αυτήν τη συχνότητα. Δεν είχε σημασία αν η ένταση ήταν υψηλή ή χαμηλή. Για κάποιο λόγο, η συχνότητα ή το μήκος κύματος του ίδιου του φωτός ήταν πολύ πιο σημαντική.
2. Οι αλλαγές στην ένταση δεν απέδωσαν αλλαγές στην κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων. Άλλαξαν μόνο τον αριθμό των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων. Μόλις επιτευχθεί η συχνότητα κατωφλίου, η αύξηση της έντασης δεν πρόσθεσε περισσότερη ενέργεια σε κάθε εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο. Αντ 'αυτού, όλοι κατέληξαν με την ίδια κινητική ενέργεια. υπήρχαν μόνο περισσότερα από αυτά.
3. Δεν υπήρχε χρονική υστέρηση σε χαμηλές εντάσεις. Φαίνεται ότι δεν απαιτείται χρόνος για να «γεμίσει τον ενεργειακό κάδο» οποιουδήποτε δεδομένου ηλεκτρονίου. Εάν ένα ηλεκτρόνιο έπρεπε να εκπέμπεται, εκπέμπεται αμέσως. Η χαμηλότερη ένταση δεν είχε καμία επίδραση στην κινητική ενέργεια ή στο χρόνο καθυστέρησης. είχε ως αποτέλεσμα την εκπομπή λιγότερων ηλεκτρονίων.

Ο μόνος τρόπος για να εξηγήσουμε αυτό το φαινόμενο ήταν να επικαλεστούμε την κβαντική μηχανική. Σκεφτείτε μια ακτίνα φωτός όχι ως κύμα, αλλά ως μια συλλογή διακριτών πακέτων κυμάτων που ονομάζονται φωτόνια. Όλα τα φωτόνια έχουν διαφορετικές τιμές ενέργειας που αντιστοιχούν στη συχνότητα και το μήκος κύματος του φωτός, όπως εξηγείται από τη δυαδικότητα των κυμάτων-σωματιδίων.

Επιπλέον, λάβετε υπόψη ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταπηδήσουν μεταξύ διακριτών ενεργειακών καταστάσεων. Μπορούν να έχουν μόνο συγκεκριμένες ενεργειακές τιμές, αλλά ποτέ δεν υπάρχουν ενδιάμεσες τιμές. Τώρα τα παρατηρούμενα φαινόμενα μπορούν να εξηγηθούν ως εξής:

1. Τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται μόνο όταν απορροφούν πολύ συγκεκριμένες επαρκείς ενεργειακές τιμές. Κάθε ηλεκτρόνιο που παίρνει το σωστό πακέτο ενέργειας (ενέργεια φωτονίων) θα απελευθερωθεί. Κανένα δεν απελευθερώνεται εάν η συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός είναι πολύ χαμηλή ανεξάρτητα από την ένταση, επειδή κανένα από τα ενεργειακά πακέτα δεν είναι αρκετά ξεχωριστά.
2. Μόλις ξεπεραστεί η συχνότητα κατωφλίου, η αύξηση της έντασης αυξάνει μόνο τον αριθμό ηλεκτρονίων απελευθερώνεται και όχι η ίδια η ενέργεια των ηλεκτρονίων επειδή κάθε εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο απορροφά ένα διακριτό φωτόνιο. Μεγαλύτερη ένταση σημαίνει περισσότερα φωτόνια και επομένως περισσότερα φωτοηλεκτρόνια.
3. Δεν υπάρχει καθυστέρηση χρόνου ακόμη και σε χαμηλή ένταση αρκεί η συχνότητα να είναι αρκετά υψηλή γιατί μόλις ένα ηλεκτρόνιο πάρει το σωστό πακέτο ενέργειας, απελευθερώνεται. Η χαμηλή ένταση έχει ως αποτέλεσμα λιγότερα ηλεκτρόνια.

Μια σημαντική έννοια που σχετίζεται με το φωτοηλεκτρικό εφέ είναι η λειτουργία εργασίας. Επίσης γνωστή ως ενέργεια δέσμευσης ηλεκτρονίων, είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ένα στερεό.

Ο τύπος για τη λειτουργία εργασίας δίνεται από:

Οπου-μιείναι το φορτίο ηλεκτρονίων,ϕείναι το ηλεκτροστατικό δυναμικό στο κενό κοντά στην επιφάνεια καιμιείναι το επίπεδο Fermi των ηλεκτρονίων στο υλικό.

Το ηλεκτροστατικό δυναμικό μετράται σε βολτ και είναι ένα μέτρο της ηλεκτρικής ενέργειας δυναμικού ανά μονάδα φόρτισης. Εξ ου και ο πρώτος όρος στην έκφραση,-εε, είναι η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου κοντά στην επιφάνεια του υλικού.

Το επίπεδο Fermi μπορεί να θεωρηθεί ως η ενέργεια του εξώτατου ηλεκτρονίου όταν το άτομο βρίσκεται στην κατάσταση του εδάφους του.

Σχετικά στενά με τη λειτουργία εργασίας είναι η συχνότητα κατωφλίου. Αυτή είναι η ελάχιστη συχνότητα με την οποία τα προσπίπτοντα φωτόνια θα προκαλέσουν την εκπομπή ηλεκτρονίων. Η συχνότητα σχετίζεται άμεσα με την ενέργεια (η υψηλότερη συχνότητα αντιστοιχεί σε υψηλότερη ενέργεια), και ως εκ τούτου πρέπει να επιτευχθεί μια ελάχιστη συχνότητα.

Πάνω από τη συχνότητα κατωφλίου, η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων εξαρτάται από τη συχνότητα και όχι από την ένταση του φωτός. Βασικά η ενέργεια ενός μεμονωμένου φωτονίου θα μεταφερθεί εξ ολοκλήρου σε ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Μια ορισμένη ποσότητα αυτής της ενέργειας χρησιμοποιείται για την εξαγωγή του ηλεκτρονίου και το υπόλοιπο είναι η κινητική του ενέργεια. Και πάλι, μια μεγαλύτερη ένταση σημαίνει ότι θα εκπέμπονται περισσότερα ηλεκτρόνια, όχι ότι αυτά που εκπέμπονται θα έχουν περισσότερη ενέργεια.

Η μέγιστη κινητική ενέργεια των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων μπορεί να βρεθεί μέσω της ακόλουθης εξίσωσης:

Οπουκ_{Μέγιστη}είναι η μέγιστη κινητική ενέργεια του φωτοηλεκτρονίου,ηείναι η σταθερά του Planck = 6,62607004 × 10^-34 Μ²kg / s,φάείναι η συχνότητα του φωτός καιφά₀είναι η συχνότητα κατωφλίου.

Μπορείτε να σκεφτείτε ότι η ανακάλυψη του φωτοηλεκτρικού αποτελέσματος συμβαίνει σε δύο στάδια. Πρώτον, η ανακάλυψη της εκπομπής φωτοηλεκτρονίων από ορισμένα υλικά ως αποτέλεσμα του προσπίπτοντος φωτός και, δεύτερον, ο προσδιορισμός ότι αυτό το φαινόμενο δεν υπακούει καθόλου στην κλασική φυσική, γεγονός που οδήγησε σε πολλά σημαντικά θεμέλια της κατανόησής μας για την κβαντική Μηχανική.

Ο Heinrich Hertz παρατήρησε για πρώτη φορά το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο το 1887 ενώ πραγματοποίησε πειράματα με μια γεννήτρια σπινθήρων. Η εγκατάσταση περιελάμβανε δύο ζεύγη μεταλλικών σφαιρών. Οι σπινθήρες που δημιουργούνται μεταξύ του πρώτου συνόλου σφαιρών θα προκαλούσαν τους σπινθήρες να μεταπηδήσουν μεταξύ του δεύτερου σετ, ενεργώντας έτσι ως μορφοτροπέας και δέκτης. Ο Hertz μπόρεσε να αυξήσει την ευαισθησία της εγκατάστασης λάμποντας φως πάνω του. Χρόνια αργότερα, ο J.J. Ο Τόμπσον ανακάλυψε ότι η αυξημένη ευαισθησία προέκυψε από το φως προκαλώντας την έξοδο των ηλεκτρονίων.

Ενώ ο βοηθός του Hertz, Phillip Lenard, διαπίστωσε ότι η ένταση δεν επηρέασε την κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων, ήταν ο Robert Millikan που ανακάλυψε τη συχνότητα κατωφλίου. Αργότερα, ο Αϊνστάιν μπόρεσε να εξηγήσει το περίεργο φαινόμενο υποθέτοντας τον κβαντισμό της ενέργειας.

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ το 1921 για την ανακάλυψη του νόμου της φωτοηλεκτρικής αποτέλεσμα, και ο Millikan κέρδισε το βραβείο Νόμπελ το 1923 επίσης για εργασίες που σχετίζονται με την κατανόηση της φωτοηλεκτρικής αποτέλεσμα.

Το φωτοηλεκτρικό εφέ έχει πολλές χρήσεις. Ένα από αυτά είναι ότι επιτρέπει στους επιστήμονες να ανιχνεύσουν τα επίπεδα ενέργειας των ηλεκτρονίων στην ύλη προσδιορίζοντας τη συχνότητα κατωφλίου στην οποία το προσπίπτον φως προκαλεί εκπομπές. Φωτοπολλαπλασιαστικοί σωλήνες που χρησιμοποιούν αυτό το εφέ χρησιμοποιήθηκαν επίσης σε παλαιότερες τηλεοπτικές κάμερες.

Μια πολύ χρήσιμη εφαρμογή του φωτοηλεκτρικού εφέ είναι η κατασκευή ηλιακών συλλεκτών. Οι ηλιακοί συλλέκτες είναι συστοιχίες φωτοβολταϊκών κυττάρων, τα οποία είναι κύτταρα που χρησιμοποιούν ηλεκτρόνια που εκτοξεύονται από μέταλλα από ηλιακή ακτινοβολία για την παραγωγή ρεύματος. Από το 2018, σχεδόν το 3% της παγκόσμιας ενέργειας παράγεται από ηλιακούς συλλέκτες, αλλά αυτός ο αριθμός είναι αναμένεται να αυξηθεί σημαντικά τα επόμενα χρόνια, ειδικά καθώς η αποτελεσματικότητα αυτών των πάνελ αυξάνεται.

Αλλά το πιο σημαντικό από όλα, η ανακάλυψη και η κατανόηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου έθεσαν τα θεμέλια για το πεδίο της κβαντικής μηχανικής και την καλύτερη κατανόηση της φύσης του φωτός.

Υπάρχουν πολλά πειράματα που μπορούν να πραγματοποιηθούν σε ένα εισαγωγικό εργαστήριο φυσικής για να δείξει το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Μερικά από αυτά είναι πιο περίπλοκα από άλλα.

Ένα απλό πείραμα αποδεικνύει το φωτοηλεκτρικό εφέ με ένα ηλεκτροσκόπιο και μια λάμπα UV-C που παρέχει υπεριώδες φως. Τοποθετήστε αρνητικό φορτίο στο ηλεκτροσκόπιο έτσι ώστε η βελόνα να εκτρέπεται. Στη συνέχεια, λάμψτε τη λάμπα UV-C. Το φως από τη λάμπα θα απελευθερώσει ηλεκτρόνια από το ηλεκτροσκόπιο και θα το εκφορτίσει. Μπορείτε να καταλάβετε ότι αυτό συμβαίνει βλέποντας τη μείωση της απόκλισης της βελόνας. Σημειώστε, ωστόσο, ότι εάν δοκιμάσατε το ίδιο πείραμα με ένα θετικά φορτισμένο ηλεκτροσκόπιο, δεν θα λειτουργούσε.

Υπάρχουν πολλοί άλλοι πιθανοί τρόποι πειραματισμού με το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Αρκετές ρυθμίσεις περιλαμβάνουν ένα φωτοκύτταρο που αποτελείται από μια μεγάλη άνοδο που, όταν χτυπηθεί με το προσπίπτον φως, θα απελευθερώσει ηλεκτρόνια που συλλαμβάνονται από μια κάθοδο. Εάν αυτή η ρύθμιση είναι συνδεδεμένη σε βολτόμετρο, για παράδειγμα, το φωτοηλεκτρικό εφέ θα γίνει εμφανές όταν λάμπει το φως δημιουργεί τάση.

Οι πιο σύνθετες ρυθμίσεις επιτρέπουν ακριβέστερη μέτρηση και ακόμη και σας επιτρέπουν να καθορίσετε τη λειτουργία εργασίας και τις συχνότητες κατωφλίου για διαφορετικά υλικά. Ανατρέξτε στην ενότητα Πόροι για συνδέσμους.