ფოტოელექტრული ეფექტი: განმარტება, განტოლება და ექსპერიმენტი

კლასიკურ ფიზიკაში ნასწავლი ყველაფერი თავის თავში აღმოჩნდა, რადგან ფიზიკოსები იკვლევდნენ უფრო მცირე ზომის სფეროებს და პოულობდნენ კვანტურ ეფექტებს. ამ აღმოჩენებს შორის პირველი იყო ფოტოელექტრული ეფექტი. 1900-იანი წლების დასაწყისში ამ ეფექტის შედეგები ვერ შეესატყვისება კლასიკურ პროგნოზებს და მხოლოდ კვანტური თეორიით აიხსნება, რაც ფიზიკოსებს ახალ სამყაროს უხსნის.

დღეს ფოტოელექტრულ ეფექტს მრავალი პრაქტიკული გამოყენება აქვს. სამედიცინო ვიზუალიზაციიდან დამთავრებული სუფთა ენერგიის წარმოებამდე, ამ ეფექტის აღმოჩენასა და გამოყენებას აქვს გავლენა, რომელიც სცილდება მეცნიერების უბრალოდ გაგებას.

როდესაც სინათლე, ან ელექტრომაგნიტური გამოსხივება ხვდება მასალას, როგორიცაა ლითონის ზედაპირი, ეს მასალა ზოგჯერ გამოყოფს ელექტრონებს, ე.წ.ფოტოელექტრონები. ეს არსებითად იმიტომ ხდება, რომ მასალაში ატომები იღებენ რადიაციას, როგორც ენერგიას. ელექტრონები ატომებში აღიქვამენ გამოსხივებას ენერგიის მაღალ დონეებზე გადასვლით. თუ შთანთქმული ენერგია საკმარისად მაღალია, ელექტრონები ტოვებენ სახლის ატომს მთლიანად.

ამ პროცესს ზოგჯერ ასევე უწოდებენფოტოემისიარადგან შემთხვევითი ფოტონები (სინათლის ნაწილაკების სხვა სახელი) ელექტრონების ემისიის უშუალო მიზეზია. იმის გამო, რომ ელექტრონებს აქვთ უარყოფითი მუხტი, ლითონის ფირფიტა, საიდანაც ისინი გამოიყოფა, იონიზირებულია.

რაც ყველაზე განსაკუთრებული იყო ფოტოელექტრული ეფექტისთვის, ის იყო, რომ იგი არ ასრულებდა კლასიკურ პროგნოზებს. ელექტრონების გამოსხივების გზამ, გამოსხივებულმა რაოდენობამ და სინათლის ინტენსივობამ როგორ შეცვალა, მეცნიერებმა თავდაპირველად თავის ნაკაწრები დატოვეს.

ორიგინალური პროგნოზები კლასიკური ფიზიკის ფოტოელექტრული ეფექტის შედეგებთან დაკავშირებით მოიცავს შემდეგს:

1. ენერგია გადადის ინციდენტური გამოსხივებიდან ელექტრონებზე. ითვლებოდა, რომ რაც არ უნდა მოხდეს მასალის ენერგია, უშუალოდ შეიწოვება ელექტრონები ატომებში, ტალღის სიგრძის მიუხედავად. ამას აზრი აქვს კლასიკური მექანიკის პარადიგმაში: რასაც თქვენ ასხამთ ვედროში, ამ თანხით ივსება ვედრო.
2. სინათლის ინტენსივობის ცვლილებებმა უნდა გამოიტანოს ელექტრონების კინეტიკური ენერგიის ცვლილებები. თუ ივარაუდება, რომ ელექტრონები შთანთქავენ რა გამოსხივებასაც დაემართებათ, მაშინ იმავე რადიაციამ მეტმა მათ მეტი ენერგია უნდა მისცეს. მას შემდეგ, რაც ელექტრონებმა დატოვეს მათი ატომების საზღვრები, ეს ენერგია ჩანს კინეტიკური ენერგიის სახით.
3. ძალიან დაბალი ინტენსივობის სინათლემ დრო უნდა დაუთმოს სინათლის შეწოვას და ელექტრონების გამოყოფას შორის. ეს იმის გამო მოხდა, რომ ჩათვალეს, რომ ელექტრონებმა უნდა მიიღონ საკმარისი ენერგია სახლის ატომის დასატოვებლად და დაბალი ინტენსივობის სინათლე ჰგავს ენერგიის "ვედროში" ენერგიის დამატება უფრო ნელა. შევსებას უფრო დიდი დრო სჭირდება და, ამრიგად, ელექტრონებს საკმარისი ენერგიის გამოსხივებაში უფრო მეტი დრო სჭირდება.

რეალური შედეგები სულაც არ შეესაბამებოდა პროგნოზებს. ეს მოიცავდა შემდეგს:

1. ელექტრონები გამოიყოფა მხოლოდ მაშინ, როდესაც ინციდენტის შუქმა მიაღწია ან გადააჭარბა ბარიერის სიხშირეს. ამ სიხშირეზე დაბალი ემისია არ მომხდარა არ ჰქონდა მნიშვნელობა ინტენსივობა მაღალი იყო თუ დაბალი. რატომღაც, სინათლის სიხშირე, ანუ თავად სინათლის ტალღის სიგრძე, ბევრად უფრო მნიშვნელოვანი იყო.
2. ინტენსივობის ცვლილებებმა არ გამოიღო ელექტრონების კინეტიკური ენერგიის ცვლილებები. მათ შეცვალეს მხოლოდ გამოყოფილი ელექტრონების რაოდენობა. ბარიერის სიხშირის მიღწევის შემდეგ, ინტენსივობის გაზრდა საერთოდ არ მატებს თითოეულ ენერგიას ელექტრონულ ენერგიას. ამის ნაცვლად, ისინი ყველა დასრულდა იგივე კინეტიკური ენერგიით; ისინი სულ უფრო მეტი იყვნენ.
3. დაბალი ინტენსივობით დრო არ იყო. როგორც ჩანს, დრო არ იყო საჭირო ნებისმიერი ელექტრონის "ენერგიის ვედროთი შევსებისთვის". თუ ელექტრონი უნდა გამოსხივებოდა, იგი მაშინვე გამოიყოფა. დაბალმა ინტენსივობამ გავლენა არ მოახდინა კინეტიკურ ენერგიაზე ან შეყოვნების დროზე; ამან უბრალოდ გამოიწვია ნაკლები ელექტრონების გამოსხივება.

ამ ფენომენის ასახსნელად ერთადერთი გზა იყო კვანტური მექანიკის გამოყენება. იფიქრეთ სინათლის სხივზე არა როგორც ტალღად, არამედ როგორც დისკრეტული ტალღური პაკეტების კოლექცია, რომელსაც ფოტონები ეწოდება. ყველა ფოტონს აქვს მკაფიო ენერგეტიკული მნიშვნელობები, რომლებიც შეესაბამება სინათლის სიხშირეს და ტალღის სიგრძეს, როგორც ეს აიხსნება ტალღის ნაწილაკების ორმაგობით.

გარდა ამისა, ჩათვალეთ, რომ ელექტრონებს მხოლოდ დისკრეტულ ენერგეტიკულ მდგომარეობებს შორის ხტომა აქვთ. მათ შეიძლება ჰქონდეთ მხოლოდ კონკრეტული ენერგეტიკული მნიშვნელობები, მაგრამ მათ შორის არასდროს რაიმე მნიშვნელობები. ახლა დაფიქსირებული ფენომენების ახსნა შესაძლებელია შემდეგნაირად:

1. ელექტრონები გამოიყოფა მხოლოდ მაშინ, როდესაც ისინი შთანთქავენ ძალზე სპეციფიკურ საკმარის ენერგეტიკულ მნიშვნელობებს. ნებისმიერი ელექტრონი მიიღებს სწორ ენერგეტიკულ პაკეტს (ფოტონის ენერგია). არცერთი არ გამოთავისუფლდება, თუ ინციდენტის სინათლის სიხშირე ძალიან დაბალია, მიუხედავად ინტენსიურობისა, რადგან არცერთი ენერგეტიკული პაკეტი ინდივიდუალურად საკმარისად დიდი არ არის.
2. ბარიერის სიხშირის გადაჭარბების შემდეგ, ინტენსივობის გაზრდა მხოლოდ ელექტრონების რაოდენობას ზრდის გაათავისუფლეს და არა თავად ელექტრონების ენერგია, რადგან თითოეული გამოყოფილი ელექტრონი შთანთქავს ერთ დისკრეტს ფოტონი უფრო დიდი ინტენსივობა ნიშნავს მეტ ფოტონს და, შესაბამისად, მეტ ფოტოელექტრონს.
3. დროის დაყოვნება მცირე ინტენსივობითაც კი არ ხდება, რადგან სიხშირე საკმარისად მაღალია, რადგან როგორც კი ელექტრონი მიიღებს სწორ ენერგეტიკულ პაკეტს, იგი გამოიყოფა. დაბალი ინტენსივობით მხოლოდ ნაკლები ელექტრონები ხდება.

ფოტოელექტრულ ეფექტთან დაკავშირებული ერთი მნიშვნელოვანი კონცეფცია არის სამუშაო ფუნქცია. ასევე ცნობილია, როგორც ელექტრონების სავალდებულო ენერგია, ეს არის მინიმალური ენერგია, რომელიც საჭიროა ელექტრონის მყარიდან ამოსაღებად.

სამუშაო ფუნქციის ფორმულა მოცემულია:

სად-ეარის ელექტრონული მუხტი,ϕარის ელექტროსტატიკური პოტენციალი ვაკუუმში ზედაპირის მახლობლად დაეარის ელექტრონის ფერმის დონე მასალაში.

ელექტროსტატიკური პოტენციალი იზომება ვოლტებში და წარმოადგენს ელექტროენერგეტიკული პოტენციალის ენერგიის საზომს ერთეულის მუხტზე. აქედან გამომდინარე, პირველი ტერმინი გამოხატვაში,-eϕ, არის ელექტრონის ელექტრული პოტენციური ენერგია მასალის ზედაპირთან ახლოს.

ფერმის დონე შეიძლება მივიჩნიოთ, როგორც ყველაზე შორეული ელექტრონის ენერგია, როდესაც ატომი თავის ნიადაგზეა.

სამუშაო ფუნქციასთან მჭიდრო კავშირშია ბარიერის სიხშირე. ეს არის მინიმალური სიხშირე, რომლის დროსაც მომხდარი ფოტონები გამოიწვევს ელექტრონების გამოყოფას. სიხშირე პირდაპირ კავშირშია ენერგიასთან (უფრო მაღალი სიხშირე უფრო მაღალ ენერგიას შეესაბამება), ამიტომ მინიმალური სიხშირე უნდა იყოს მიღწეული.

ბარიერის სიხშირის ზემოთ, ელექტრონების კინეტიკური ენერგია დამოკიდებულია სიხშირეზე და არა სინათლის ინტენსივობაზე. ძირითადად ერთი ფოტონის ენერგია მთლიანად გადადის ერთ ელექტრონზე. ამ ენერგიის გარკვეული რაოდენობა გამოიყენება ელექტრონის ამოსაგდებად, ხოლო დარჩენილია მისი კინეტიკური ენერგია. კიდევ ერთხელ, უფრო მეტი ინტენსივობა ნიშნავს იმას, რომ მეტი ელექტრონი გამოიყოფა, არა იმათ, რომ გამოცემულებს მეტი ენერგია ექნებათ.

ემიტირებული ელექტრონების მაქსიმალური კინეტიკური ენერგია შეგიძლიათ იხილოთ შემდეგი განტოლების საშუალებით:

სადკ_{მაქსიმალური}არის ფოტოელექტრონის მაქსიმალური კინეტიკური ენერგია,თპლანკის მუდმივია = 6,62607004 10^-34 მ²კგ / წმ,ვარის სინათლის სიხშირე დავ₀არის ბარიერის სიხშირე.

თქვენ შეიძლება იფიქროთ ფოტოელექტრული ეფექტის აღმოჩენაზე, როგორც ეს ხდება ორ ეტაპად. პირველ რიგში, გარკვეული მასალებისგან ფოტოელექტრონების ემისიის აღმოჩენა ინციდენტის სინათლის შედეგად და მეორე, განსაზღვრა რომ ეს ეფექტი საერთოდ არ ემორჩილება კლასიკურ ფიზიკას, რამაც გამოიწვია კვანტის ჩვენი გაგების მრავალი მნიშვნელოვანი საფუძველი მექანიკა.

ჰაინრიხ ჰერციმ პირველად დააფიქსირა ფოტოელექტრული ეფექტი 1887 წელს ნაპერწკლების ხარვეზის გენერატორთან ექსპერიმენტების ჩატარებისას. ინსტალაცია მოიცავს ორი წყვილი მეტალის სფეროს. ნაპერწკლებს, რომლებიც წარმოიქმნება სფეროების პირველ ნაკრებებს შორის, ააქტიურებს ნაპერწკლები მეორე ნაკრებებს შორის, ამრიგად მოქმედებს როგორც გადამყვანი და მიმღები. ჰერცმა შეძლო დაყენების მგრძნობელობის გაზრდა მასზე სინათლის ანათებით. წლების შემდეგ ჯ. ტომპსონმა აღმოაჩინა, რომ გაზრდილი მგრძნობელობა წარმოიშვა იმ სინათლის გამო, რომელიც ელექტრონების განდევნას იწვევს.

მიუხედავად იმისა, რომ ჰერცის თანაშემწემ ფილიპ ლენარდმა დაადგინა, რომ ინტენსივობა გავლენას არ ახდენს ფოტოელექტრონების კინეტიკური ენერგიაზე, ბარიერის სიხშირე სწორედ რობერტ მილიკანმა აღმოაჩინა. მოგვიანებით, აინშტაინმა შეძლო უცნაური ფენომენის ახსნა ენერგიის კვანტიზაციის გათვალისწინებით.

ალბერტ აინშტაინს ნობელის პრემია მიენიჭა 1921 წელს ფოტოელექტრული კანონის კანონის აღმოჩენისთვის ეფექტი და მილიკანმა მოიგო ნობელის პრემია 1923 წელს ასევე ფოტოელექტრის გაგებასთან დაკავშირებული მუშაობისთვის ეფექტი

ფოტოელექტრულ ეფექტს მრავალი გამოყენება აქვს. ერთ-ერთი მათგანია ის, რომ იგი საშუალებას აძლევს მეცნიერებს, გამოიკვლიონ მატერიაში ელექტრონული ენერგიის დონე, განსაზღვრონ ბარიერის სიხშირე, რომელზედაც ინციდენტის სინათლე იწვევს ემისიას. ფოტომამრავლების მილები, რომლებიც იყენებენ ამ ეფექტს, ასევე გამოიყენებოდა ძველ სატელევიზიო კამერებში.

ფოტოელექტრული ეფექტის ძალიან სასარგებლო გამოყენებაა მზის პანელების მშენებლობაში. მზის პანელები არის ფოტოელექტრონული უჯრედების მასივები, რომლებიც არის უჯრედები, რომლებიც იყენებენ ელექტრონებს, რომლებიც მზის გამოსხივებით გამოდევნება ლითონებიდან, დენის წარმოქმნის მიზნით. 2018 წლის მონაცემებით, მსოფლიოს ენერგიის თითქმის 3 პროცენტი გამომუშავდება მზის პანელებით, მაგრამ ეს რიცხვი არის მომდევნო რამდენიმე წლის განმავლობაში მნიშვნელოვნად გაიზრდება, განსაკუთრებით ასეთი პანელების ეფექტურობის გამო იზრდება.

მაგრამ რაც მთავარია, ფოტოელექტრული ეფექტის აღმოჩენამ და გაგებამ საფუძველი ჩაუყარა კვანტური მექანიკის დარგს და სინათლის ბუნების უკეთ გაგებას.

მრავალი ექსპერიმენტია, რომელთა ჩატარება შესაძლებელია გაცნობითი ფიზიკის ლაბორატორიაში, ფოტოელექტრული ეფექტის საჩვენებლად. ზოგი მათგანი უფრო რთულია, ვიდრე სხვები.

მარტივი ექსპერიმენტი აჩვენებს ფოტოელექტრულ ეფექტს ელექტროსკოპით და UV-C ნათურით, რომელიც უზრუნველყოფს ულტრაიისფერ სინათლეს. განათავსეთ უარყოფითი მუხტი ელექტროსკოპზე ისე, რომ ნემსი გადაიტანოს. შემდეგ, ბრწყინავს UV-C ნათურა. ნათურის სინათლე გამოათავისუფლებს ელექტრონებს ელექტროსკოპიდან და გამოყოფს მას. ამის თქმა შეგიძლიათ, ნემსის გადახრის შემცირების დანახვაზე. ამასთან, გაითვალისწინეთ, რომ თუ იგივე ექსპერიმენტი დადებითად დამუხტული ელექტროსკოპით სცადეთ, ის არ გამოდგება.

ფოტოელექტრული ეფექტის ექსპერიმენტის მრავალი სხვა გზა არსებობს. რამდენიმე დაყენებისას ჩართულია ფოტოსელი, რომელიც შედგება დიდი ანოდისაგან, რომელიც ინციდენტის შუქზე მოხვედრისას გამოყოფს ელექტრონებს, რომლებსაც კათოდური აიღებს. თუ ეს დაყენება ვოლტმეტრს უკავშირდება, მაგალითად, ფოტოელექტრული ეფექტი აშკარა გახდება, როდესაც შუქი ანათებს ძაბვას.

უფრო რთული დაყენებები იძლევა უფრო ზუსტი გაზომვის საშუალებას და საშუალებას გაძლევთ განსაზღვროთ სხვადასხვა მასალებისთვის სამუშაო ფუნქცია და ბარიერის სიხშირეები. იხილეთ რესურსების განყოფილება ბმულებისთვის.