광전 효과: 정의, 방정식 및 실험

물리학 자들이 점점 더 작은 영역을 탐험하고 양자 효과를 발견함에 따라 고전 물리학에서 배운 모든 것이 머리를 돌 렸습니다. 이러한 발견 중 첫 번째는 광전 효과였습니다. 1900 년대 초, 이 효과의 결과는 고전적 예측과 일치하지 않았으며 양자 이론으로 만 설명 할 수 있었고 물리학 자들에게 완전히 새로운 세계를 열었습니다.

오늘날 광전 효과는 많은 실제 응용 분야에도 적용됩니다. 의료 영상에서 청정 에너지 생산에 이르기까지이 효과의 발견과 적용은 이제 단순히 과학을 이해하는 것 이상의 의미를 갖습니다.

빛 또는 전자기 복사가 금속 표면과 같은 물질에 닿으면 그 물질은 때때로 전자를 방출합니다.광전자. 이것은 본질적으로 물질의 원자가 에너지로 복사를 흡수하기 때문입니다. 원자의 전자는 더 높은 에너지 수준으로 점프하여 방사선을 흡수합니다. 흡수 된 에너지가 충분히 높으면 전자는 집 원자를 완전히 떠납니다.

이 프로세스는 때때로광 방출입사 광자 (빛 입자의 또 다른 이름)가 전자 방출의 직접적인 원인이기 때문입니다. 전자는 음전하를 띠기 때문에 방출 된 금속판은 이온화 상태로 남아 있습니다.

그러나 광전 효과에서 가장 특별한 점은 고전적인 예측을 따르지 않는다는 것입니다. 전자가 방출되는 방식, 방출 된 수, 빛의 강도에 따라 이것이 어떻게 변했는지 모든 과학자들은 처음에 머리를 긁적입니다.

고전 물리학에서 만든 광전 효과의 결과에 대한 원래 예측에는 다음이 포함됩니다.

1. 에너지는 입사 방사선에서 전자로 전달됩니다. 물질에 입사되는 에너지는 파장에 관계없이 원자의 전자에 직접 흡수 될 것이라고 가정했습니다. 이것은 고전적인 역학 패러다임에서 의미가 있습니다. 버킷에 붓는 것은 그 양만큼 버킷을 채 웁니다.
2. 광도의 변화는 전자의 운동 에너지에 변화를 가져옵니다. 전자가 자신에게 입사되는 방사선을 흡수한다고 가정하면 동일한 방사선이 더 많이 전자에 더 많은 에너지를 제공해야합니다. 전자가 원자의 경계를 벗어나면 그 에너지는 운동 에너지의 형태로 보입니다.
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3. 매우 낮은 강도의 빛은 빛의 흡수와 전자 방출 사이에 시간차를 가져야합니다. 이것은 전자가 집 원자를 떠나기에 충분한 에너지를 얻어야한다고 가정했기 때문이며, 저 강도 빛은 에너지 "버킷"에 더 천천히 에너지를 추가하는 것과 같습니다. 채우는 데 더 오래 걸리므로 전자가 방출 할 수있는 충분한 에너지를 갖기까지 더 오래 걸립니다.

실제 결과는 예측과 전혀 일치하지 않았습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

1. 전자는 입사광이 임계 주파수에 도달하거나 초과했을 때만 방출되었습니다. 이 주파수 이하에서는 방출이 발생하지 않았습니다. 강도가 높든 낮든 상관 없습니다. 어떤 이유로 빛 자체의 주파수 또는 파장이 훨씬 더 중요했습니다.
2. 강도의 변화는 전자의 운동 에너지의 변화를 가져 오지 않았습니다. 그들은 방출되는 전자의 수만 변경했습니다. 임계 주파수에 도달하면 강도를 높이더라도 방출되는 각 전자에 에너지가 전혀 추가되지 않았습니다. 대신, 그들은 모두 같은 운동 에너지를 갖게되었습니다. 그들 중 더 많았습니다.
3. 낮은 강도에서 시간 지연이 없었습니다. 주어진 전자의 "에너지 버킷을 채우는"데 필요한 시간이없는 것 같았습니다. 전자가 방출되면 즉시 방출되었습니다. 낮은 강도는 운동 에너지 또는 지연 시간에 영향을 미치지 않았습니다. 그것은 단순히 더 적은 전자가 방출되는 결과를 낳았습니다.

이 현상을 설명하는 유일한 방법은 양자 역학을 호출하는 것입니다. 빛의 광선을 파동이 아니라 광자라고하는 이산 파 패킷의 집합으로 생각하십시오. 광자는 모두 파동 입자 이중성에 의해 설명되는 것처럼 빛의 주파수와 파장에 해당하는 뚜렷한 에너지 값을 가지고 있습니다.

또한 전자는 이산 에너지 상태 사이에서만 점프 할 수 있습니다. 특정 에너지 값만 가질 수 있지만 그 사이의 값은 가질 수 없습니다. 이제 관찰 된 현상을 다음과 같이 설명 할 수 있습니다.

1. 전자는 매우 특정한 충분한 에너지 값을 흡수 할 때만 방출됩니다. 올바른 에너지 패킷 (광자 에너지)을 얻는 모든 전자가 방출됩니다. 에너지 패킷이 개별적으로 충분히 크지 않기 때문에 강도에 관계없이 입사광의 주파수가 너무 낮 으면 방출되지 않습니다.
2. 임계 주파수를 초과하면 강도를 높이면 전자 수만 증가합니다. 방출 된 각 전자가 하나의 개별 광자. 더 큰 강도는 더 많은 광자를 의미하고 따라서 더 많은 광전자를 의미합니다.
3. 전자가 올바른 에너지 패킷을 얻 자마자 방출되기 때문에 주파수가 충분히 높으면 낮은 강도에서도 시간 지연이 없습니다. 강도가 낮 으면 전자 수가 적습니다.

광전 효과와 관련된 한 가지 중요한 개념은 일 함수입니다. 전자 결합 에너지라고도하며 고체에서 전자를 제거하는 데 필요한 최소 에너지입니다.

일 함수 공식은 다음과 같이 주어진다.

어디-이자형전자 전하,ϕ표면 근처의 진공 상태에서 정전기 전위이며이자형물질에서 전자의 페르미 수준입니다.

정전기 전위는 볼트 단위로 측정되며 단위 전 하당 전위 에너지를 측정합니다. 따라서 식의 첫 번째 용어는-eϕ, 물질의 표면 근처에있는 전자의 전위 에너지입니다.

페르미 준위는 원자가 바닥 상태에있을 때 가장 바깥 쪽 전자의 에너지로 생각할 수 있습니다.

일 함수와 밀접한 관련이있는 것은 임계 빈도이다. 이것은 입사 광자가 전자를 방출하는 최소 주파수입니다. 주파수는 에너지와 직접 관련이 있으므로 (높은 주파수는 더 높은 에너지에 해당) 최소 주파수에 도달해야하는 이유입니다.

임계 주파수 이상에서 전자의 운동 에너지는 빛의 강도가 아닌 주파수에 따라 달라집니다. 기본적으로 단일 광자의 에너지는 전적으로 단일 전자로 전달됩니다. 그 에너지의 일정량은 전자를 방출하는 데 사용되며 나머지는 운동 에너지입니다. 다시 말하지만, 더 큰 강도는 더 많은 전자가 방출된다는 것을 의미하며 방출 된 전자가 더 많은 에너지를 가질 것이라는 의미가 아닙니다.

방출 된 전자의 최대 운동 에너지는 다음 방정식을 통해 찾을 수 있습니다.

어디케이_최대광전자의 최대 운동 에너지,h플랑크 상수 = 6.62607004 × 10^-34 미디엄²kg / s,에프빛의 주파수이고에프₀임계 주파수입니다.

광전 효과의 발견은 두 단계로 발생한다고 생각할 수 있습니다. 첫째, 입사광의 결과로 특정 물질에서 방출되는 광전자의 발견, 둘째, 결정 이 효과는 고전 물리학을 전혀 따르지 않아 양자에 대한 우리의 이해에 대한 많은 중요한 토대가되었습니다. 역학.

Heinrich Hertz는 스파크 갭 발생기로 실험을 수행하면서 1887 년에 처음으로 광전 효과를 관찰했습니다. 설정에는 두 쌍의 금속 구가 포함되었습니다. 첫 번째 구체 세트 사이에서 생성 된 스파크는 두 번째 세트 사이에서 스파크가 점프하도록 유도하여 변환기와 수신기 역할을합니다. Hertz는 빛을 비추어 설정의 감도를 높일 수있었습니다. 몇 년 후 J.J. Thompson은 증가 된 감도가 빛으로 인해 전자가 방출된다는 것을 발견했습니다.

Hertz의 보조 Phillip Lenard는 강도가 광전자의 운동 에너지에 영향을 미치지 않는다고 결정했지만 임계 주파수를 발견 한 사람은 Robert Millikan이었습니다. 나중에 아인슈타인은 에너지의 양자화를 가정하여 이상한 현상을 설명 할 수있었습니다.

알버트 아인슈타인은 1921 년 광전 법칙을 발견 한 공로로 노벨상을 수상했습니다. 효과, Millikan은 1923 년에 광전자 이해와 관련된 작업으로 노벨상을 수상했습니다. 효과.

광전 효과는 많은 용도로 사용됩니다. 그 중 하나는 과학자들이 입사광이 방출을 일으키는 임계 주파수를 결정함으로써 물질의 전자 에너지 수준을 조사 할 수 있다는 것입니다. 이 효과를 사용하는 광전자 증 배관은 구형 텔레비전 카메라에도 사용되었습니다.

광전 효과의 매우 유용한 응용은 태양 전지판의 구성입니다. 태양 전지판은 태양 복사에 의해 금속에서 방출되는 전자를 사용하여 전류를 생성하는 전지 인 광전지 어레이입니다. 2018 년 현재 전 세계 에너지의 거의 3 %가 태양 광 패널에서 생성되지만이 수치는 특히 이러한 패널의 효율성으로 인해 향후 몇 년 동안 상당히 성장할 것으로 예상됩니다. 증가합니다.

그러나 무엇보다도 가장 중요한 것은 광전 효과의 발견과 이해가 양자 역학 분야의 토대를 마련하고 빛의 본질에 대한 더 나은 이해를 제공한다는 것입니다.

광전 효과를 입증하기 위해 물리학 입문 실험실에서 수행 할 수있는 많은 실험이 있습니다. 이들 중 일부는 다른 것보다 더 복잡합니다.

간단한 실험은 전기 현미경과 자외선을 제공하는 UV-C 램프로 광전 효과를 보여줍니다. 바늘이 편향되도록 electroscope에 음전하를 놓습니다. 그런 다음 UV-C 램프를 비 춥니 다. 램프에서 나오는 빛은 전기 현미경에서 전자를 방출하여 방전시킵니다. 바늘의 처짐이 감소하는 것을 보면 이런 일이 발생한다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 양전하를 띤 전기 현미경으로 동일한 실험을 시도하면 작동하지 않습니다.

광전 효과를 실험 할 수있는 다른 많은 방법이 있습니다. 여러 설정에는 입사광에 부딪히면 음극에 의해 포착 된 전자를 방출하는 큰 양극으로 구성된 광전지가 포함됩니다. 예를 들어이 설정을 전압계에 연결하면 빛을 비추면 전압이 생성 될 때 광전 효과가 분명해집니다.

보다 복잡한 설정을 통해보다 정확한 측정이 가능하며 다양한 재료에 대한 작업 함수 및 임계 주파수를 결정할 수도 있습니다. 링크는 리소스 섹션을 참조하십시오.