Valosähköinen vaikutus: Määritelmä, yhtälö ja koe

Kaikki klassisessa fysiikassa opittu kääntyi päähänsä, kun fyysikot tutkivat yhä pienempiä alueita ja löysivät kvanttiefektejä. Ensimmäisten löydösten joukossa oli valosähköinen vaikutus. 1900-luvun alussa tämän vaikutuksen tulokset eivät vastanneet klassisia ennusteita, ja ne olivat selitettävissä vain kvanttiteorian kanssa, mikä avasi fyysikoille aivan uuden maailman.

Nykyään valosähköisellä vaikutuksella on myös monia käytännön sovelluksia. Lääketieteellisestä kuvantamisesta puhtaan energian tuotantoon tämän vaikutuksen löytämisellä ja soveltamisella on nyt vaikutuksia, jotka ylittävät pelkästään tieteen ymmärtämisen.

Kun valo tai sähkömagneettinen säteily osuu materiaaliin, kuten metallipintaan, kyseinen materiaali lähettää joskus elektroneja, joita kutsutaanvalokuvaelektronit. Tämä johtuu lähinnä siitä, että materiaalin atomit absorboivat säteilyä energiana. Atomeissa olevat elektronit absorboivat säteilyä hyppäämällä korkeammalle energiatasolle. Jos absorboitunut energia on riittävän suuri, elektronit lähtevät kokonaan kotiatomistaan.

Tätä prosessia kutsutaan joskus myösvalokuvaemissiokoska sattuvat fotonit (toinen nimi hiukkasille) ovat suoria syitä elektronien emissioon. Koska elektronilla on negatiivinen varaus, metallilevy, josta ne säteilivät, jätetään ionisoituneeksi.

Valosähköisen vaikutuksen erityisintä oli kuitenkin se, että se ei noudattanut klassisia ennusteita. Tapa, jolla elektronit säteilivät, emittoitunut määrä ja kuinka tämä muuttui valon voimakkuudella, jättivät tutkijat naarmuuntamaan päätään aluksi.

Alkuperäiset ennusteet klassisen fysiikan valosähköisen vaikutuksen tuloksista sisälsivät seuraavat:

1. Energia siirtyy tulevasta säteilystä elektroneihin. Oletettiin, että mitä tahansa materiaaliin kohdistuvaa energiaa absorboi atomien elektronit suoraan aallonpituudesta riippumatta. Tämä on järkevää klassisen mekaniikan paradigmassa: Mitä kauhaan kaadat, se täyttää kauhan tällä määrällä.
2. Valon voimakkuuden muutosten tulisi tuottaa muutoksia elektronien kineettisessä energiassa. Jos oletetaan, että elektronit absorboivat mitä tahansa heihin kohdistuvaa säteilyä, enemmän saman säteilyn pitäisi antaa heille enemmän energiaa vastaavasti. Kun elektronit ovat jättäneet atomiensa rajat, kyseinen energia nähdään kineettisen energian muodossa.
3. Hyvin matalan intensiteetin valon tulisi tuottaa aikaviive valon absorboinnin ja elektronien emissioiden välillä. Tämä johtuu siitä, että oletettiin, että elektronien on hankittava riittävästi energiaa poistuttaakseen kotiatominsa, ja matalan intensiteetin valo on kuin lisätä energiaa heidän energiansa "ämpäriin" hitaammin. Täyttö kestää kauemmin, ja siksi sen pitäisi kestää kauemmin, ennen kuin elektroneilla on riittävästi energiaa emittoitumaan.

Todelliset tulokset eivät olleet lainkaan yhdenmukaisia ​​ennusteiden kanssa. Tähän sisältyi seuraava:

1. Elektronit vapautuivat vasta, kun tuleva valo saavutti tai ylitti kynnystaajuuden. Tämän taajuuden alapuolella ei tapahtunut päästöjä. Ei ollut väliä onko intensiteetti korkea vai matala. Jostain syystä itse valon taajuus tai aallonpituus oli paljon tärkeämpi.
2. Intensiteetin muutokset eivät tuottaneet muutoksia elektronien kineettisessä energiassa. Ne muuttivat vain lähetettyjen elektronien määrää. Kun kynnystaajuus oli saavutettu, intensiteetin lisääminen ei lisännyt enempää energiaa kullekin lähetetylle elektronille. Sen sijaan heillä kaikilla oli sama kineettinen energia; niitä oli vain enemmän.
3. Aikaviive ei ollut matalalla intensiteetillä. Minkä tahansa elektronin "täyttää energiasäiliö" ei näyttänyt olevan aikaa. Jos elektroni oli tarkoitus vapautua, se vapautui välittömästi. Pienemmällä intensiteetillä ei ollut vaikutusta kineettiseen energiaan tai viiveaikaan; se johti yksinkertaisesti siihen, että vähemmän elektroneja erittyi.

Ainoa tapa selittää tämä ilmiö oli vedota kvanttimekaniikkaan. Ajattele valonsädettä ei aallona, ​​vaan kokoelmana erillisiä aaltopaketteja, joita kutsutaan fotoneiksi. Kaikilla fotoneilla on erilliset energia-arvot, jotka vastaavat valon taajuutta ja aallonpituutta, selitettynä aaltopartikkelien kaksinaisuudella.

Ota lisäksi huomioon, että elektronit pystyvät siirtymään vain erillisten energiatilojen välillä. Niillä voi olla vain tiettyjä energia-arvoja, mutta ei koskaan mitään arvoja niiden välillä. Nyt havaitut ilmiöt voidaan selittää seuraavasti:

1. Elektroneja vapautuu vain, kun ne absorboivat hyvin spesifisiä riittäviä energia-arvoja. Elektroni, joka saa oikean energiapaketin (fotonienergia), vapautuu. Mitään ei vapauteta, jos tulevan valon taajuus on liian alhainen voimakkuudesta riippumatta, koska yksikään energiapaketeista ei ole erikseen tarpeeksi suuri.
2. Kun kynnystaajuus on ylitetty, kasvava intensiteetti lisää vain elektronien määrää vapautuu eikä itse elektronien energia, koska kukin emittoitu elektroni absorboi yhden erillisen fotoni. Suurempi intensiteetti tarkoittaa enemmän fotoneja ja siten enemmän fotoelektroneja.
3. Aikaviivettä ei ole edes matalalla intensiteetillä, kunhan taajuus on riittävän korkea, koska heti kun elektroni saa oikean energiapaketin, se vapautuu. Pieni intensiteetti johtaa vain vähemmän elektroneja.

Yksi tärkeä valosähköiseen vaikutukseen liittyvä käsite on työtoiminto. Tunnetaan myös nimellä elektroneja sitova energia, se on vähimmäisenergia, joka tarvitaan elektronin poistamiseen kiinteästä aineesta.

Työfunktion kaava saadaan:

Missä-eon elektronivaraus,ϕon pinnan lähellä olevan tyhjiön sähköstaattinen potentiaali jaEon materiaalin elektronien Fermi-taso.

Sähköstaattinen potentiaali mitataan voltteina ja se mittaa sähköpotentiaalienergiaa latausyksikköä kohti. Siksi lausekkeen ensimmäinen termi,-eϕ, on elektronin potentiaalienergia lähellä materiaalin pintaa.

Fermin tasoa voidaan ajatella uloimman elektronin energiana atomin ollessa perustilassa.

Kynnystaajuus liittyy läheisesti työtoimintoon. Tämä on vähimmäistaajuus, jolla tulevat fotonit aiheuttavat elektronien emissiota. Taajuus liittyy suoraan energiaan (korkeampi taajuus vastaa suurempaa energiaa), minkä vuoksi minimitaajuus on saavutettava.

Kynnystaajuuden yläpuolella elektronien kineettinen energia riippuu taajuudesta eikä valon voimakkuudesta. Pohjimmiltaan yhden fotonin energia siirtyy kokonaan yhdelle elektronille. Tietty määrä energiasta käytetään elektronin poistamiseen, ja loppuosa on sen kineettinen energia. Jälleen suurempi intensiteetti tarkoittaa vain sitä, että enemmän elektroneja emittoituu, ei että emittoituneilla olisi enemmän energiaa.

Emitoitujen elektronien suurin kineettinen energia löytyy seuraavasta yhtälöstä:

MissäK_eninton fotoelektronin suurin kineettinen energia,hon Planckin vakio = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,fon valon taajuus jaf₀on kynnystaajuus.

Voit ajatella valosähköisen vaikutuksen löytämistä tapahtuvan kahdessa vaiheessa. Ensinnäkin tiettyjen materiaalien fotoelektronien emissio havaitaan tulevan valon seurauksena, ja toiseksi määritetään että tämä vaikutus ei tottele lainkaan klassista fysiikkaa, mikä johti moniin tärkeisiin lähtökohtiin ymmärryksemme kvantista mekaniikka.

Heinrich Hertz havaitsi ensin valosähköisen vaikutuksen vuonna 1887 suorittaessaan kokeita kipinäväligeneraattorilla. Asennuksessa oli mukana kaksi paria metallipalloja. Ensimmäisen pallosarjan välissä syntyvät kipinät saisivat kipinät hyppäämään toisen joukon välillä, mikä toimii siten anturina ja vastaanottimena. Hertz pystyi lisäämään asennuksen herkkyyttä valaisemalla sitä. Vuosia myöhemmin J.J. Thompson huomasi, että lisääntynyt herkkyys johtui valosta, joka aiheutti elektronien poistumisen.

Vaikka Hertzin avustaja Phillip Lenard totesi, että intensiteetti ei vaikuttanut fotoelektronien kineettiseen energiaan, kynnystaajuuden löysi Robert Millikan. Myöhemmin Einstein pystyi selittämään outoa ilmiötä olettaen energian kvantisoinnin.

Albert Einstein sai Nobelin palkinnon vuonna 1921 valosähkölainsäädännön löytämisestä vaikutus, ja Millikan voitti Nobel-palkinnon vuonna 1923 myös valosähkön ymmärtämiseen liittyvästä työstä vaikutus.

Valosähköisellä vaikutuksella on monia käyttötarkoituksia. Yksi niistä on, että se antaa tutkijoille mahdollisuuden tutkia elektronien energiatasot aineessa määrittämällä kynnystaajuus, jolla tuleva valo aiheuttaa päästöjä. Tätä vaikutusta hyödyntäviä valokerroinputkia käytettiin myös vanhemmissa televisiokameroissa.

Erittäin hyödyllinen valosähköisen vaikutuksen sovellus on aurinkopaneelien rakentamisessa. Aurinkopaneelit ovat aurinkosähkökennoja, jotka ovat soluja, jotka hyödyntävät aurinkosäteilyn metalleista poistamia sähköjä virran tuottamiseksi. Vuodesta 2018 lähtien lähes 3 prosenttia maailman energiasta syntyy aurinkopaneeleista, mutta tämä luku on odotetaan kasvavan huomattavasti seuraavien vuosien aikana, varsinkin kun tällaisten paneelien tehokkuus kasvaa kasvaa.

Mutta mikä tärkeintä, valosähköisen vaikutuksen löytäminen ja ymmärtäminen loi perustan kvanttimekaniikan kentälle ja paremman käsityksen valon luonteesta.

Fysiikan johdantolaboratoriossa voidaan suorittaa monia kokeita valosähköisen vaikutuksen osoittamiseksi. Jotkut näistä ovat monimutkaisempia kuin toiset.

Yksinkertainen koe osoittaa valosähköisen vaikutuksen elektroskoopilla ja UV-C-lampulla, joka tuottaa ultraviolettivaloa. Aseta negatiivinen varaus elektroskooppiin niin, että neula taipuu. Sitten paistaa UV-C-lamppu. Lampun valo vapauttaa elektronit elektroskoopista ja purkaa sen. Voit kertoa tämän tapahtuvan näkemällä neulan taipuma pienenemässä. Huomaa kuitenkin, että jos kokeilet samaa kokeilua positiivisesti varautuneella elektroskoopilla, se ei toimi.

On monia muita mahdollisia tapoja kokeilla valosähköistä vaikutusta. Useaan kokoonpanoon liittyy valokenno, joka koostuu suuresta anodista, joka osuvaan valoon osuessaan vapauttaa katodin ottamat elektronit. Jos tämä asetus on kytketty esimerkiksi volttimittariin, valosähköinen vaikutus ilmenee, kun valon loistaminen luo jännitteen.

Monimutkaisemmat asetukset mahdollistavat tarkemman mittauksen ja jopa mahdollistavat eri materiaalien työfunktion ja kynnystaajuuden. Katso linkit Resurssit-osiosta.