Fotoelektriline efekt: määratlus, võrrand ja katse

Kõik klassikalises füüsikas õpitu pöörati pea peale, kui füüsikud uurisid üha väiksemaid valdkondi ja avastasid kvantefekte. Esimeste seas avastati fotoelektriline efekt. 1900. aastate alguses ei vastanud selle efekti tulemused klassikalistele ennustustele ja olid seletatavad ainult kvantteooriaga, avades füüsikutele täiesti uue maailma.

Tänapäeval on fotoelektrilisel efektil ka palju praktilisi rakendusi. Alates meditsiinilisest pildistamisest kuni puhta energia tootmiseni on selle efekti avastamisel ja rakendamisel tagajärjed, mis ületavad lihtsalt teaduse mõistmise.

Kui valgus või elektromagnetkiirgus tabab materjali, näiteks metallpinda, kiirgab see materjal mõnikord elektrone, nnfotoelektroonid. Seda peamiselt seetõttu, et materjalis olevad aatomid neelavad kiirgust kui energiat. Aatomites olevad elektronid neelavad kiirgust, hüpates kõrgemale energiatasemele. Kui neelduv energia on piisavalt kõrge, lahkuvad elektronid täielikult oma kodu aatomist.

Seda protsessi nimetatakse mõnikord ka

Fotoelektrilise efekti puhul oli kõige erilisem aga see, et see ei järginud klassikalisi ennustusi. Elektronide kiirgamise viis, kiiratud arv ja see, kuidas see valguse intensiivsusega muutus, jätsid teadlased esialgu pead kratsima.

Klassikalise füüsika fotoelektrilise efekti tulemuste esialgsed ennustused sisaldasid järgmist:

1. Energia kandub langevast kiirgusest elektronidesse. Eeldati, et materjalile langev energia neeldub aatomites olevate elektronide poolt lainepikkusest olenemata. See on klassikalise mehaanika paradigmas mõistlik: kõik, mis ämbrisse valate, täidab kopa selle summa võrra.
2. Valguse intensiivsuse muutused peaksid muutma elektronide kineetilist energiat. Kui eeldatakse, et elektronid neelavad mis tahes kiirgust, mis neile langeb, peaks rohkem sama kiirgust andma neile vastavalt rohkem energiat. Kui elektronid on oma aatomite piiridest lahkunud, nähakse seda energiat kineetilise energia kujul.
3. Väga madala intensiivsusega valgus peaks andma ajanihe valguse neeldumise ja elektronide emissiooni vahel. Seda seetõttu, et eeldati, et elektronid peavad oma koduaatomist lahkumiseks saama piisavalt energiat ja madala intensiivsusega valgus on nagu energia lisamine nende energia „ämbrisse” aeglasemalt. Selle täitmine võtab kauem aega ja seetõttu peaks see võtma kauem aega, enne kui elektronidel on eraldumiseks piisavalt energiat.

Tegelikud tulemused ei olnud üldse prognoosidega kooskõlas. See hõlmas järgmist:

1. Elektronid vabastati alles siis, kui langev valgus jõudis künnisageduseni või ületas seda. Sellest sagedusest madalamat heidet ei toimunud. Pole tähtis, kas intensiivsus oli kõrge või madal. Millegipärast oli valguse enda sagedus või lainepikkus palju olulisem.
2. Intensiivsuse muutused ei andnud muutusi elektronide kineetilises energias. Nad muutsid ainult eralduvate elektronide arvu. Kui läve sagedus on saavutatud, ei lisanud intensiivsuse suurendamine igale emiteeritud elektronile üldse rohkem energiat. Selle asemel said nad kõik sama kineetilise energia; neid oli lihtsalt rohkem.
3. Madalal intensiivsusel ei olnud ajavahet. Tundus, et ühegi antud elektroni „energiaämbri täitmiseks” pole aega vaja. Kui taheti eraldada elektroni, emiteeriti see kohe. Madalam intensiivsus ei mõjutanud kineetilist energiat ega viivitusaega; selle tulemusel eraldus lihtsalt vähem elektrone.

Ainus viis selle nähtuse seletamiseks oli kvantmehaanika kasutamine. Mõelge valgusvihust mitte lainena, vaid diskreetsete lainepakettide kogumina, mida nimetatakse footoniteks. Kõigil footonitel on erinevad energiaväärtused, mis vastavad valguse sagedusele ja lainepikkusele, mida seletatakse laineosakeste duaalsusega.

Lisaks arvestage, et elektronid suudavad hüpata ainult diskreetsete energiaolekute vahel. Neil võivad olla ainult konkreetsed energiaväärtused, kuid mitte kunagi mingid väärtused nende vahel. Nüüd saab vaadeldud nähtusi seletada järgmiselt:

1. Elektronid vabanevad ainult siis, kui nad neelavad väga spetsiifilisi piisavalt energiaväärtusi. Iga elektron, mis saab õige energiapaketi (footoni energia), vabaneb. Puuduvad, kui langeva valguse sagedus on intensiivsusest hoolimata liiga madal, kuna ükski energiapakett pole eraldi piisavalt suur.
2. Kui läve sagedus on ületatud, suurendab intensiivsuse suurenemine ainult elektronide arvu vabanenud ja mitte elektronide endi energiat, sest iga emiteeritud elektron neelab ühe diskreetse footon. Suurem intensiivsus tähendab rohkem footoneid ja seega ka rohkem fotoelektrone.
3. Isegi madala intensiivsusega pole viivitust seni, kuni sagedus on piisavalt kõrge, sest niipea kui elektron saab õige energiapaketi, vabastatakse see. Madal intensiivsus toob kaasa ainult vähem elektrone.

Üks oluline fotoelektrilise efektiga seotud mõiste on tööfunktsioon. Tuntud ka kui elektrone siduv energia, on see minimaalne energia, mis on vajalik elektroni eemaldamiseks tahkest ainest.

Tööfunktsiooni valemi annab:

Kus-eon elektronlaeng,ϕon pinna lähedal asuvas vaakumis olev elektrostaatiline potentsiaal jaEon materjali elektronide Fermi tase.

Elektrostaatilist potentsiaali mõõdetakse voltides ja see on elektrilise potentsiaalse energia mõõtühiku kohta. Siit ka avaldise esimene termin,-eϕon elektroni potentsiaalne energia materjali pinna lähedal.

Fermi taset võib pidada äärmise elektroni energiaks, kui aatom on põhiolukorras.

Tööfunktsiooniga on tihedalt seotud künnisagedus. See on minimaalne sagedus, mille korral langevad footonid põhjustavad elektronide emissiooni. Sagedus on otseselt seotud energiaga (kõrgem sagedus vastab kõrgemale energiale), mistõttu tuleb saavutada minimaalne sagedus.

Lävesageduse kohal sõltub elektronide kineetiline energia sagedusest ja mitte valguse intensiivsusest. Põhimõtteliselt kandub ühe footoni energia täielikult ühele elektronile. Teatud osa sellest energiast kasutatakse elektroni väljutamiseks ja ülejäänud osa on selle kineetiline energia. Jällegi tähendab suurem intensiivsus lihtsalt seda, et kiirgub rohkem elektrone, mitte seda, et kiiratavatel oleks rohkem energiat.

Kiirgavate elektronide maksimaalse kineetilise energia leiame järgmise võrrandi kaudu:

KusK_maxon fotoelektroni maksimaalne kineetiline energia,hon Plancki konstant = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,fon valguse sagedus jaf₀on läve sagedus.

Fotoelektrilise efekti avastamisest võite mõelda kahes etapis. Esiteks fotoelektroonide emissiooni avastamine teatud materjalidest langeva valguse tagajärjel ja teiseks määramine et see mõju ei allu üldse klassikalisele füüsikale, mis viis meie kvantide mõistmise paljude oluliste alusteni mehaanika.

Heinrich Hertz täheldas fotoelektrilist efekti esmakordselt 1887. aastal, tehes katseid sädemete generaatoriga. Seadistuses osales kaks paari metallkuule. Esimese kerakomplekti vahel tekkinud sädemed kutsuksid sädemeid hüppama teise komplekti vahel, toimides seega anduri ja vastuvõtjana. Hertz suutis seadistuse tundlikkust suurendada, valgustades sellele valgust. Aastaid hiljem tegi J.J. Thompson avastas, et suurenenud tundlikkus tuleneb valgusest, mis põhjustas elektronide väljutamise.

Kui Hertzi assistent Phillip Lenard tegi kindlaks, et intensiivsus ei mõjuta fotoelektroonide kineetilist energiat, siis künnisageduse avastas Robert Millikan. Hiljem suutis Einstein kummalist nähtust selgitada energia kvantiseerimisega.

Albert Einstein pälvis fotoelemendi seaduse avastamise eest 1921. aastal Nobeli preemia efekti ja Millikan võitis 1923. aastal Nobeli preemia ka fotoelektriku mõistmisega seotud töö eest mõju.

Fotoelektrilisel efektil on palju kasutusalasid. Üks neist on see, et see võimaldab teadlastel uurida elektronide energiatasemeid aines, määrates lävesageduse, mille juures langev valgus kiirgab. Seda efekti kasutavaid fotokordisti torusid kasutati ka vanemates telekaamerates.

Fotoelektrilise efekti väga kasulik rakendus on päikesepaneelide ehitamine. Päikesepaneelid on fotogalvaaniliste elementide massiivid, mis on elemendid, mis kasutavad voolu saamiseks päikese kiirguse kaudu metallidest väljutatud elektrone. Alates 2018. aastast toodab päikesepaneelid ligi 3 protsenti kogu maailma energiast, kuid see arv on eeldatavasti kasvab järgmise paari aasta jooksul märkimisväärselt, eriti selliste paneelide tõhususe osas suureneb.

Kuid mis kõige tähtsam, fotoelektrilise efekti avastamine ja mõistmine pani aluse kvantmehaanika valdkonnale ja valguse olemuse paremale mõistmisele.

Fotoelektrilise efekti demonstreerimiseks saab sissejuhatavas füüsikalaboris läbi viia palju katseid. Mõni neist on keerulisem kui teine.

Lihtne katse demonstreerib fotoelektrilist efekti ultraviolettvalgust pakkuva elektroskoopi ja UV-C-lambiga. Asetage negatiivne laeng elektroskoopile nii, et nõel painduks. Seejärel sära UV-C lamp. Lambi valgus vabastab elektroskoobist elektronid ja laseb selle välja. Selle juhtumiseks saate teada, kui näete nõela läbipainde vähenemist. Pange tähele, et kui prooviksite sama katset positiivselt laetud elektroskoopiga, siis see ei töötaks.

Fotoelektrilise efektiga katsetamiseks on palju muid võimalusi. Mitmed seadistused hõlmavad fotorakku, mis koosneb suurest anoodist, mis langeva valgusega tabades vabastab katoodi poolt üles võetud elektronid. Kui see seade on ühendatud näiteks voltmeetriga, ilmneb fotoelektriline efekt siis, kui valguse säramine tekitab pinge.

Keerukamad seadistused võimaldavad täpsemat mõõtmist ja võimaldavad teil isegi määrata erinevate materjalide tööfunktsiooni ja künnisagedused. Lingid leiate jaotisest Ressursid.