Fotoelektromos effektus: Definíció, egyenlet és kísérlet

A klasszikus fizikában tanult mindent a fejére fordították, amikor a fizikusok egyre kisebb birodalmakat kutattak és kvantumhatásokat fedeztek fel. Az első ilyen felfedezés volt a fotoelektromos hatás. Az 1900-as évek elején ennek a hatásnak az eredményei nem egyeztek meg a klasszikus jóslatokkal, és csak a kvantumelmélettel magyarázhatók, ami egy teljesen új világot nyitott meg a fizikusok előtt.

Manapság a fotoelektromos hatásnak számos gyakorlati alkalmazása is van. Az orvosi képalkotástól a tiszta energia előállításáig ennek a hatásnak a felfedezésének és alkalmazásának olyan következményei vannak, amelyek jóval túlmutatnak a tudomány puszta megértésén.

Amikor a fény vagy az elektromágneses sugárzás olyan anyagba ütközik, mint egy fém felület, akkor ez az anyag néha elektronokat bocsát ki, az únfotoelektronok. Ez lényegében azért van, mert az anyagban lévő atomok elnyelik a sugárzást energiaként. Az atomokban lévő elektronok magasabb energiaszintre ugrással elnyelik a sugárzást. Ha az elnyelt energia elég magas, az elektronok teljesen otthagyják otthoni atomjukat.

Ezt a folyamatot néha hívjákfotoemissziómert a beeső fotonok (a fényrészecskék másik neve) az elektronkibocsátás közvetlen oka. Mivel az elektronok negatív töltéssel rendelkeznek, a fémlemez, amelyből kibocsájtottak, ionizált marad.

A fotoelektromos effektus különlegessége azonban az volt, hogy nem követte a klasszikus jóslatokat. Az elektronok kibocsátásának módja, a kibocsátott szám és a fény intenzitásának változása mind azt hagyták, hogy a tudósok kezdetben megvakarták a fejüket.

A klasszikus fizikából származó fotoelektromos hatás eredményeinek eredeti előrejelzései a következőket tartalmazták:

1. Az energia a beeső sugárzásból átkerül az elektronokba. Feltételeztük, hogy bármilyen energiát érint az anyag, azt az atomokban lévő elektronok közvetlenül elnyelik, a hullámhossztól függetlenül. Ennek értelme van a klasszikus mechanika paradigmában: Bármit is öntsön a vödörbe, az annyival kitölti a vödröt.
2. A fényintenzitás változásainak meg kell változtatniuk az elektronok mozgási energiáját. Ha feltételezzük, hogy az elektronok elnyelik azt a sugárzást, amely rájuk esik, akkor ugyanannak a sugárzásnak több energiát kell adnia nekik ennek megfelelően. Miután az elektronok elhagyták atomjaik határait, ez az energia kinetikus energia formájában látható.
3. A nagyon alacsony intenzitású fénynek időeltolódást kell eredményeznie a fényelnyelés és az elektronemisszió között. Ennek oka az volt, hogy feltételezték, hogy az elektronoknak elegendő energiát kell szerezniük ahhoz, hogy otthagyják az otthoni atomjukat, és az alacsony intenzitású fény olyan, mintha lassabban adnánk energiát az energiájukhoz. Hosszabb ideig tart a kitöltése, és ennélfogva hosszabb időnek kell eltelnie, mire az elektronok elegendő energiát bocsátanak ki.

A tényleges eredmények egyáltalán nem voltak összhangban az előrejelzésekkel. Ez a következőket tartalmazta:

1. Az elektronokat csak akkor engedték szabadon, amikor a beeső fény elérte vagy meghaladta a küszöbértéket. E frekvencia alatt nem történt emisszió. Nem számított, hogy az intenzitás magas vagy alacsony. Valamiért sokkal fontosabb volt maga a fény frekvenciája vagy hullámhossza.
2. Az intenzitás változásai nem eredményeztek változásokat az elektronok kinetikus energiájában. Csak a kibocsátott elektronok számát változtatták meg. A küszöbérték elérése után az intenzitás növelése egyáltalán nem adott több energiát az egyes kibocsátott elektronokhoz. Ehelyett mindannyian azonos kinetikus energiával bírtak; csak többen voltak.
3. Kis intenzitással nem volt időeltolódás. Úgy tűnt, nincs idő arra, hogy bármelyik elektron „kitöltse az energiavödröt”. Ha elektront kellett kibocsátani, akkor azonnal kibocsátott. Az alacsonyabb intenzitásnak nincs hatása a kinetikus energiára vagy a késleltetési időre; egyszerűen kevesebb elektront bocsátott ki.

A jelenség egyetlen módja a kvantummechanika megalapozása volt. Gondoljon a fénysugárra, mint hullámra, hanem mint különálló hullámcsomagok gyűjteményére, amelyeket fotonoknak neveznek. A fotonok mindegyikének különálló energiaértékei vannak, amelyek megfelelnek a fény frekvenciájának és hullámhosszának, amint azt a hullám-részecske kettősség magyarázza.

Ezenkívül vegye figyelembe, hogy az elektronok csak diszkrét energiaállapotok között képesek ugrani. Csak meghatározott energiaértékekkel rendelkezhetnek, de közöttük soha semmilyen értékkel. A megfigyelt jelenségek a következőképpen magyarázhatók:

1. Az elektronok csak akkor szabadulnak fel, ha nagyon specifikus, elégséges energiaértékeket vesznek fel. Minden elektron, amely a megfelelő energiacsomagot (fotonenergiát) kapja, felszabadul. Egyik sem szabadul fel, ha a beeső fény frekvenciája az intenzitástól függetlenül túl alacsony, mert egyik energiacsomag sem elég nagy egyenként.
2. A küszöbfrekvencia túllépése után az intenzitás növelése csak növeli az elektronok számát szabadul fel, és nem maguk az elektronok energiája, mert minden kibocsátott elektron elkülönít egy diszkrétet foton. A nagyobb intenzitás több fotont és ennélfogva több fotoelektront jelent.
3. Még alacsony intenzitással sincs idő késés, amíg a frekvencia elég magas, mert amint egy elektron megkapja a megfelelő energiacsomagot, felszabadul. Az alacsony intenzitás csak kevesebb elektront eredményez.

A fotoelektromos effektus egyik fontos fogalma a munkafunkció. Elektronkapcsoló energiának is nevezik, ez a minimális energia, amely ahhoz szükséges, hogy egy elektron szilárd anyagból eltávoluljon.

A munkafüggvény képletét a következők adják meg:

Hol-eaz elektron töltés,ϕa felület közelében lévő vákuum elektrosztatikus potenciálja ésEaz anyag Fermi-szintje.

Az elektrosztatikus potenciált egy voltban mérik, és ez az egységnyi töltésenkénti elektromos potenciális energia mértéke. Ezért az első kifejezés a kifejezésben,-eϕ, egy elektron elektromos potenciális energiája az anyag felszíne közelében.

A Fermi szint a legkülső elektron energiájának tekinthető, amikor az atom alapállapotban van.

A munkafunkcióval szorosan összefügg a küszöb gyakorisága. Ez az a minimális frekvencia, amelynél a beeső fotonok elektronkibocsátást okoznak. A frekvencia közvetlenül kapcsolódik az energiához (a magasabb frekvencia megfelel a magasabb energiának), ezért kell elérni egy minimális frekvenciát.

A küszöbfrekvencia felett az elektronok mozgási energiája a frekvenciától és nem a fény intenzitásától függ. Alapvetően egyetlen foton energiája teljes egészében egyetlen elektronra kerül. Ennek az energiának egy bizonyos részét felhasználják az elektron leadására, a fennmaradó pedig annak mozgási energiája. A nagyobb intenzitás megint csak azt jelenti, hogy több elektron bocsát ki, és nem azt, hogy a kibocsátottaknak több energiájuk lenne.

A kibocsátott elektronok maximális kinetikus energiája a következő egyenlettel határozható meg:

HolK_maxa fotoelektron maximális mozgási energiája,ha Planck-állandó = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,fa fény frekvenciája ésf₀a küszöbérték.

Úgy gondolhatja, hogy a fotoelektromos hatás felfedezése két szakaszban történik. Először is, egyes anyagok fotoelektron-kibocsátásának felfedezése a beeső fény eredményeként, másodszor pedig a hogy ez a hatás egyáltalán nem engedelmeskedik a klasszikus fizikának, ami a kvantum megértésének számos fontos alapjához vezetett mechanika.

Heinrich Hertz először 1887-ben figyelte meg a fotoelektromos hatást, miközben szikrahézagenerátorral végzett kísérleteket végzett. A beállítás két pár fémgömböt tartalmazott. Az első gömbkészlet között keletkező szikrák szikrákat indítanának a második halmaz közötti ugrásra, és így jeladóként és vevőként működnének. Hertz meg tudta növelni a beállítás érzékenységét azáltal, hogy rávilágított rá. Évekkel később J.J. Thompson felfedezte, hogy a megnövekedett érzékenység abból ered, hogy a fény az elektronokat kidobja.

Míg Hertz asszisztense, Phillip Lenard megállapította, hogy az intenzitás nem befolyásolja a fotoelektronok kinetikus energiáját, Robert Millikan volt az, aki felfedezte a küszöbfrekvenciát. Később Einstein meg tudta magyarázni a furcsa jelenséget az energia kvantálásának feltételezésével.

Albert Einstein 1921-ben Nobel-díjat kapott a fotoelektromos törvény felfedezéséért hatása, és Millikan 1923-ban elnyerte a Nobel-díjat a fotoelektromos megértésével kapcsolatos munkáért is hatás.

A fotoelektromos effektus sokféle felhasználást kínál. Az egyik az, hogy lehetővé teszi a tudósok számára, hogy megvizsgálják az elektron elektronenergia-szintjét azáltal, hogy meghatározzák azt a küszöbfrekvenciát, amelynél a beeső fény kibocsátást okoz. Ezt a hatást kihasználó fényszorzó csöveket régebbi televíziós kamerákban is használták.

A fotoelektromos hatás nagyon hasznos alkalmazása a napelemek gyártásában. A napelemek fotovoltaikus cellák tömbjei, amelyek olyan elemek, amelyek áramot generálnak a napsugárzás által a fémekből kidobott elektronokból. 2018-tól a világ energiájának közel 3 százalékát napelemek termelik, de ez a szám az várhatóan a következő néhány évben jelentősen nőni fog, különösen az ilyen panelek hatékonysága miatt növekszik.

De ami a legfontosabb: a fotoelektromos hatás felfedezése és megértése megalapozta a kvantummechanika területét és a fény természetének jobb megértését.

Sok kísérletet lehet elvégezni egy bevezető fizikai laboratóriumban a fotoelektromos hatás bemutatására. Ezek egy része bonyolultabb, mint mások.

Egy egyszerű kísérlet demonstrálja a fotoelektromos hatást elektroszkóppal és ultraibolya fényt adó UV-C lámpával. Helyezzen negatív töltést az elektroszkópra úgy, hogy a tű elhajoljon. Ezután ragyogja meg az UV-C lámpát. A lámpa fénye felszabadítja az elektronokat az elektroszkópból, és kisül. Elmondhatja, hogy ez megtörténik, ha látja, hogy a tű elhajlása csökken. Ne feledje azonban, hogy ha ugyanazt a kísérletet pozitív töltésű elektroszkóppal próbálná meg, az nem működne.

A fotoelektromos effektus kísérletezésének számos más módja van. Számos beállítás magában foglal egy fotocellát, amely egy nagy anódból áll, amely beeső fény hatására felszabadítja a katód által felvett elektronokat. Ha ez a beállítás például voltmérőhöz van csatlakoztatva, akkor a fotoelektromos hatás nyilvánvalóvá válik, amikor a fény megvilágítása feszültséget hoz létre.

A bonyolultabb beállítások lehetővé teszik a pontosabb mérést, sőt lehetővé teszik a különböző anyagok munkafunkciójának és küszöbfrekvenciájának meghatározását. A linkeket lásd az Erőforrások részben.