Fotoelektrični efekt: definicija, jednadžba i eksperiment

Sve što se naučilo u klasičnoj fizici bilo je okrenuto, dok su fizičari istraživali sve manja područja i otkrivali kvantne učinke. Među prvim od ovih otkrića bio je fotoelektrični efekt. U ranim 1900-ima rezultati ovog učinka nisu se podudarali s klasičnim predviđanjima i bili su objašnjivi samo kvantnom teorijom, što je fizičarima otvorilo potpuno novi svijet.

Danas fotoelektrični efekt ima i brojne praktične primjene. Od medicinskog snimanja do proizvodnje čiste energije, otkriće i primjena ovog učinka sada imaju implikacije koje prevazilaze samo razumijevanje znanosti.

Kada svjetlost ili elektromagnetsko zračenje pogodi materijal poput metalne površine, taj materijal ponekad emitira elektrone, tzvfotoelektroni. To je u osnovi zato što atomi u materijalu apsorbiraju zračenje kao energiju. Elektroni u atomima apsorbiraju zračenje skakanjem na višu razinu energije. Ako je apsorbirana energija dovoljno velika, elektroni u potpunosti napuštaju svoj matični atom.

Taj se postupak ponekad naziva i

Ono što je, pak, posebno kod fotoelektričnog efekta bilo to što nije slijedio klasična predviđanja. Način na koji su elektroni emitirani, broj koji su emitirani i kako se to mijenjalo s intenzitetom svjetlosti ostavili su sve znanstvenike da se počešu po glavi.

Izvorna predviđanja rezultata fotoelektričnog efekta izrađena iz klasične fizike uključivala su sljedeće:

1. Prijenos energije s upadnog zračenja na elektrone. Pretpostavljalo se da će bilo koja energija koja pada na materijal izravno apsorbirati elektroni u atomima, bez obzira na valnu duljinu. To ima smisla u paradigmi klasične mehanike: Što god ulijete u kantu, kantu napuni za tu količinu.
2. Promjene u intenzitetu svjetlosti trebale bi donijeti promjene u kinetičkoj energiji elektrona. Ako se pretpostavi da elektroni apsorbiraju ono zračenje koje im pada, tada bi im više istog zračenja trebalo dati više energije u skladu s tim. Jednom kad su elektroni napustili granice svojih atoma, ta se energija vidi u obliku kinetičke energije.
3. Svjetlost vrlo niskog intenziteta trebala bi donijeti vremenski razmak između apsorpcije svjetlosti i emisije elektrona. To bi bilo zato što se pretpostavljalo da elektroni moraju steći dovoljno energije da napuste svoj dom, a svjetlost niskog intenziteta je poput dodavanja energije njihovoj energetskoj "kanti" sporije. Punjenje traje duže, pa bi trebalo proći i više vremena prije nego što elektroni dobiju dovoljno energije da se emitiraju.

Stvarni rezultati uopće nisu bili u skladu s predviđanjima. To je uključivalo sljedeće:

1. Elektroni su pušteni samo kad je upadno svjetlo doseglo ili premašilo graničnu frekvenciju. Nije se dogodila emisija ispod te frekvencije. Nije bilo važno je li intenzitet visok ili nizak. Iz nekog je razloga frekvencija ili valna duljina same svjetlosti bila puno važnija.
2. Promjene u intenzitetu nisu donijele promjene u kinetičkoj energiji elektrona. Promijenili su samo broj emitiranih elektrona. Jednom kada je dosegnuta granična frekvencija, povećanje intenziteta uopće nije dodavalo više energije svakom emitiranom elektronu. Umjesto toga, svi su završili s istom kinetičkom energijom; bilo ih je samo više.
3. Nije bilo vremenskog odmaka pri malim intenzitetima. Činilo se da nije potrebno vrijeme za "punjenje energetske kante" bilo kojeg zadanog elektrona. Ako je trebao biti emitiran elektron, on je emitiran odmah. Niži intenzitet nije imao utjecaja na kinetičku energiju ili vrijeme kašnjenja; jednostavno je rezultiralo time da se emitira manje elektrona.

Jedini način da se objasni ovaj fenomen bio je pozivanje na kvantnu mehaniku. Zamišljajte snop svjetlosti ne kao val, već kao skup diskretnih valovitih paketa koji se nazivaju fotoni. Svi fotoni imaju različite energetske vrijednosti koje odgovaraju frekvenciji i valnoj duljini svjetlosti, što je objašnjeno dualnošću valnih čestica.

Uz to, uzmite u obzir da su elektroni sposobni samo skakati između diskretnih energetskih stanja. Mogu imati samo određene energetske vrijednosti, ali nikada nikakve vrijednosti između. Sada se promatrane pojave mogu objasniti na sljedeći način:

1. Elektroni se oslobađaju samo kada apsorbiraju vrlo specifične dovoljne energetske vrijednosti. Otpustit će se svaki elektron koji dobije pravi energetski paket (energija fotona). Nijedna se ne oslobađa ako je frekvencija upadnog svjetla preniska bez obzira na intenzitet jer niti jedan energetski paket nije pojedinačno dovoljno velik.
2. Jednom kada je prag frekvencije premašen, povećanje intenziteta samo povećava broj elektrona oslobođena a ne energija samih elektrona jer svaki emitirani elektron apsorbira jedan diskretni foton. Veći intenzitet znači više fotona, a time i više fotoelektrona.
3. Nema kašnjenja ni pri niskom intenzitetu sve dok je frekvencija dovoljno visoka jer čim elektron dobije odgovarajući energetski paket, on se oslobađa. Mali intenzitet rezultira samo manjim brojem elektrona.

Jedan važan koncept povezan s fotoelektričnim efektom je radna funkcija. Također poznata kao energija vezanja elektrona, to je minimalna energija potrebna za uklanjanje elektrona iz krutine.

Formula za radnu funkciju daje:

Gdje-eje naboj elektrona,ϕje elektrostatički potencijal u vakuumu u blizini površine iEje Fermijeva razina elektrona u materijalu.

Elektrostatički potencijal mjeri se u voltima i mjeri električnu potencijalnu energiju po jedinici naboja. Stoga je prvi izraz u izrazu,-eϕ, je električna potencijalna energija elektrona u blizini površine materijala.

Fermijevu razinu možemo smatrati energijom najudaljenijeg elektrona kada je atom u osnovnom stanju.

Frekvencija praga usko je povezana s radnom funkcijom. Ovo je minimalna frekvencija na kojoj će upadajući fotoni uzrokovati emisiju elektrona. Frekvencija je izravno povezana s energijom (viša frekvencija odgovara višoj energiji), zbog čega se mora postići minimalna frekvencija.

Iznad granične frekvencije, kinetička energija elektrona ovisi o frekvenciji, a ne o intenzitetu svjetlosti. U osnovi, energija jednog fotona u potpunosti će se prenijeti na jedan elektron. Određena količina te energije koristi se za izbacivanje elektrona, a ostatak je njegova kinetička energija. Opet, veći intenzitet samo znači da će se emitirati više elektrona, a ne da će oni koji emitiraju imati više energije.

Maksimalna kinetička energija emitiranih elektrona može se naći pomoću sljedeće jednadžbe:

GdjeK_maksje maksimalna kinetička energija fotoelektrona,hje Planckova konstanta = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,fje frekvencija svjetlosti if₀je granična frekvencija.

Otkriće fotoelektričnog efekta možete smatrati događajem u dvije faze. Prvo, otkriće emisije fotoelektrona iz određenih materijala kao rezultat upadne svjetlosti, i drugo, utvrđivanje da se ovaj učinak uopće ne pokorava klasičnoj fizici, što je dovelo do mnogih važnih podloga našeg razumijevanja kvanta mehanika.

Heinrich Hertz prvi je put primijetio fotoelektrični efekt 1887. godine dok je izvodio eksperimente s generatorom iskra. Postavljanje je uključivalo dva para metalnih kuglica. Iskre nastale između prvog skupa sfera potaknule bi iskake da skaču između drugog skupa, djelujući tako kao pretvarač i prijamnik. Hertz je uspio povećati osjetljivost postavke osvjetljavajući je. Godinama kasnije J.J. Thompson je otkrio da je povećana osjetljivost posljedica svjetlosti koja je uzrokovala izbacivanje elektrona.

Dok je Hertzov pomoćnik Phillip Lenard utvrdio da intenzitet ne utječe na kinetičku energiju fotoelektrona, Robert Millikan je taj koji je otkrio graničnu frekvenciju. Kasnije je Einstein uspio objasniti neobičan fenomen pretpostavljajući kvantizaciju energije.

Albert Einstein dobio je 1921. Nobelovu nagradu za otkriće zakona fotoelektrike efekt, a Millikan je 1923. dobio Nobelovu nagradu također za rad vezan uz razumijevanje fotoelektrike posljedica.

Fotoelektrični efekt ima mnogo primjena. Jedna od takvih je da znanstvenicima omogućuje sondiranje razine energije elektrona u materiji određivanjem granične frekvencije na kojoj upadna svjetlost uzrokuje emisiju. Fotomultiplikatorske cijevi koje su koristile ovaj efekt također su korištene u starijim televizijskim kamerama.

Vrlo korisna primjena fotoelektričnog efekta je u konstrukciji solarnih panela. Solarni paneli su nizovi fotonaponskih ćelija, koje su stanice koje koriste elektrone izbačene iz metala sunčevim zračenjem za stvaranje struje. Od 2018. godine gotovo 3 posto svjetske energije generiraju solarni paneli, ali ovaj broj jest očekuje se da će znatno rasti tijekom sljedećih nekoliko godina, posebno s obzirom na učinkovitost takvih ploča povećava.

Ali najvažnije od svega, otkriće i razumijevanje fotoelektričnog efekta postavili su temelje za područje kvantne mehanike i bolje razumijevanje prirode svjetlosti.

Postoje mnogi eksperimenti koji se mogu izvesti u uvodnom laboratoriju iz fizike kako bi se demonstrirao fotoelektrični efekt. Neki od njih su složeniji od drugih.

Jednostavni eksperiment demonstrira fotoelektrični efekt pomoću elektroskopa i UV-C žarulje koja pruža ultraljubičasto svjetlo. Stavite negativni naboj na elektroskop tako da se igla skrene. Zatim zasijajte UV-C lampom. Svjetlost iz svjetiljke oslobodit će elektrone iz elektroskopa i isprazniti ga. Možete reći da se to događa tako što ćete vidjeti smanjenje otklona igle. Međutim, imajte na umu da ako pokušate isti eksperiment s pozitivno nabijenim elektroskopom, to ne bi uspjelo.

Postoje mnogi drugi mogući načini eksperimentiranja s fotoelektričnim efektom. Nekoliko postavki uključuje fotoćeliju koja se sastoji od velike anode koja će, kad se pogodi upadnom svjetlošću, osloboditi elektrone koje pokupi katoda. Ako je, na primjer, ova postavka spojena na voltmetar, fotoelektrični efekt postat će očit kad svijetljenje stvara napon.

Složenije postavke omogućuju preciznije mjerenje, pa čak i omogućuju određivanje radne funkcije i frekvencije pragova za različite materijale. Linkove potražite u odjeljku Resursi.