Fotoelektrinis efektas: apibrėžimas, lygtis ir eksperimentas

Viskas, kas išmokta klasikinėje fizikoje, buvo pasuktas ant galvos, kai fizikai tyrinėjo vis mažesnes sritis ir atrado kvantinius efektus. Tarp pirmųjų iš šių atradimų buvo fotoelektrinis efektas. 1900-ųjų pradžioje šio efekto rezultatai neatitiko klasikinių prognozių ir buvo paaiškinami tik kvantine teorija, atveriančia fizikams visiškai naują pasaulį.

Šiandien fotoelektrinis efektas taip pat turi daug praktinių galimybių. Pradedant medicininiu vaizdavimu ir baigiant švarios energijos gamyba, šio efekto atradimas ir taikymas dabar turi daugiau nei vien tik mokslo supratimą.

Kai šviesa arba elektromagnetinė spinduliuotė patenka į tokią medžiagą kaip metalinis paviršius, ta medžiaga kartais skleidžia elektronus, vadinamuosiusfotoelektronai. Tai iš esmės yra dėl to, kad medžiagos atomai sugeria spinduliuotę kaip energiją. Atomuose esantys elektronai sugeria radiaciją, šokinėdami į aukštesnį energijos lygį. Jei absorbuojama energija yra pakankamai didelė, elektronai visiškai palieka savo namų atomą.

Šis procesas kartais dar vadinamasfotoemisijanes krintantys fotonai (kitas šviesos dalelių pavadinimas) yra tiesioginė elektronų emisijos priežastis. Kadangi elektronai turi neigiamą krūvį, metalinė plokštė, iš kurios jie buvo išskirti, paliekama jonizuota.

Vis dėlto labiausiai fotoelektrinis efektas buvo tas, kad jis neatitiko klasikinių prognozių. Elektronų spinduliavimo būdas, išspinduliuojamas skaičius ir tai, kaip tai pasikeitė šviesos intensyvumu, paliko mokslininkams iš pradžių krapštyti galvas.

Originalios prognozės dėl klasikinės fizikos padaryto fotoelektrinio efekto buvo tokios:

1. Energija pereina nuo krintančios spinduliuotės į elektronus. Buvo daroma prielaida, kad bet kokią medžiagai sklindančią energiją, tiesiogiai absorbuotų atomu esantys elektronai, neatsižvelgiant į bangos ilgį. Tai prasminga klasikinės mechanikos paradigmoje: kad ir ką piltumėte į kibirą, ši suma užpildytų kibirą.
2. Šviesos intensyvumo pokyčiai turėtų sukelti elektronų kinetinės energijos pokyčius. Jei manoma, kad elektronai sugeria bet kokią jiems sklindančią spinduliuotę, tada daugiau tos pačios spinduliuotės turėtų suteikti jiems daugiau energijos. Kai elektronai palieka savo atomų ribas, ta energija matoma kinetinės energijos pavidalu.
3. Labai mažo intensyvumo šviesa turėtų suteikti laiko tarpą tarp šviesos absorbcijos ir elektronų emisijos. Taip būtų todėl, kad buvo manoma, jog elektronai turi įgyti pakankamai energijos, kad galėtų palikti savo namų atomą, o mažo intensyvumo šviesa yra tarsi energijos pridėjimas prie jų energijos „kibiro“ lėčiau. Užpildymas užtrunka ilgiau, todėl turėtų praeiti daugiau laiko, kol elektronai turės pakankamai energijos, kad galėtų išsiskirti.

Tikrieji rezultatai visiškai neatitiko prognozių. Tai apėmė:

1. Elektronai buvo paleisti tik tada, kai krintanti šviesa pasiekė arba viršijo slenksčio dažnį. Žemiau šio dažnio nebuvo išmetamų teršalų. Nesvarbu, ar intensyvumas buvo didelis, ar mažas. Kažkodėl daug svarbesnis buvo pačios šviesos dažnis arba bangos ilgis.
2. Intensyvumo pokyčiai nesukėlė elektronų kinetinės energijos pokyčių. Jie pakeitė tik išsiskiriančių elektronų skaičių. Pasiekus slenksčio dažnį, padidinus intensyvumą, kiekvienas išspinduliuojamas elektronas apskritai nepridėjo daugiau energijos. Vietoj to, visi jie baigėsi ta pačia kinetine energija; jų buvo tik daugiau.
3. Laiko atsilikimas nebuvo mažas intensyvumas. Atrodė, kad nereikia laiko „užpildyti energijos kibirą“ kokiam nors elektronui. Jei reikėjo išskirti elektroną, jis išsiskyrė iškart. Mažesnis intensyvumas neturėjo įtakos kinetinei energijai ar atsilikimo laikui; tai tiesiog sukėlė mažiau elektronų.

Vienintelis būdas paaiškinti šį reiškinį buvo kvantinės mechanikos taikymas. Pagalvokite apie šviesos pluoštą ne kaip apie bangą, bet kaip apie atskirų bangų paketų, vadinamų fotonais, rinkinį. Visi fotonai turi skirtingas energijos vertes, kurios atitinka šviesos dažnį ir bangos ilgį, kaip paaiškinta bangos ir dalelės dvilypumu.

Be to, atsižvelkite į tai, kad elektronai sugeba šokinėti tik tarp atskirų energijos būsenų. Jie gali turėti tik konkrečias energijos vertes, bet niekada jokių verčių tarp jų. Dabar pastebėtus reiškinius galima paaiškinti taip:

1. Elektronai išsiskiria tik tada, kai jie sugeria labai specifines pakankamas energijos vertes. Bet kuris elektronas, gavęs reikiamą energijos paketą (fotonų energiją), bus paleistas. Nei vienas neišleidžiamas, jei krintančios šviesos dažnis yra per mažas, nepaisant intensyvumo, nes nė vienas iš energijos paketų nėra pakankamai didelis.
2. Viršijus slenksčio dažnį, didėjant intensyvumui, tik padidėja elektronų skaičius išsiskiria, o ne pačių elektronų energija, nes kiekvienas išspinduliuojamas elektronas sugeria vieną diskretų fotonas. Didesnis intensyvumas reiškia daugiau fotonų, taigi ir daugiau fotoelektronų.
3. Laiko uždelsimas net ir esant mažam intensyvumui, kol dažnis yra pakankamai didelis, nes kai tik elektronas gauna reikiamą energijos paketą, jis yra išlaisvinamas. Mažas intensyvumas lemia tik mažiau elektronų.

Viena svarbi fotoelektrinio efekto samprata yra darbo funkcija. Taip pat žinoma kaip elektronus rišanti energija, tai yra mažiausia energija, reikalinga elektronui pašalinti iš kietos medžiagos.

Darbo funkcijos formulę pateikia:

Kur-eyra elektronų krūvis,ϕyra elektrostatinis potencialas vakuume šalia paviršiaus irEyra medžiagos Fermi elektronų lygis.

Elektrostatinis potencialas matuojamas voltais ir yra elektros energijos potencialo, tenkančio įkrovos vienetui, matas. Taigi pirmasis posakio terminas,-eϕ, yra elektrono, esančio šalia medžiagos paviršiaus, elektrinio potencialo energija.

Fermi lygmenį galima laikyti atokiausio elektrono energija, kai atomas yra pagrindinėje būsenoje.

Su darbo funkcija glaudžiai susijęs slenksčio dažnis. Tai yra mažiausias dažnis, kuriuo krintantys fotonai sukels elektronų emisiją. Dažnis yra tiesiogiai susijęs su energija (aukštesnis dažnis atitinka didesnę energiją), todėl turi būti pasiektas minimalus dažnis.

Virš slenksčio dažnio elektronų kinetinė energija priklauso nuo dažnio, o ne nuo šviesos intensyvumo. Iš esmės vieno fotono energija bus visiškai perkelta į vieną elektroną. Tam tikras kiekis tos energijos sunaudojamas elektronui išstumti, o likusioji dalis yra jo kinetinė energija. Vėlgi, didesnis intensyvumas reiškia, kad bus išskirta daugiau elektronų, o ne tai, kad išskirtieji turės daugiau energijos.

Didžiausią skleidžiamų elektronų kinetinę energiją galima rasti naudojant šią lygtį:

KurK._maksyra didžiausia fotoelektrono kinetinė energija,hyra Plancko konstanta = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,fyra šviesos dažnis irf₀yra slenksčio dažnis.

Galite galvoti apie fotoelektrinio efekto atradimą dviem etapais. Pirma, fotoelektronų emisijos iš tam tikrų medžiagų radimas dėl krintančios šviesos, antra, nustatymas kad šis poveikis visiškai nepaklūsta klasikinei fizikai, o tai lėmė daug svarbių mūsų kvantinio supratimo pagrindų mechanika.

Pirmą kartą fotoelektrinį efektą Heinrichas Hertzas pastebėjo 1887 m., Atlikdamas eksperimentus su kibirkščių tarpų generatoriumi. Sąrankoje dalyvavo dvi poros metalinių sferų. Kibirkštys, susidariusios tarp pirmųjų sferų rinkinių, paskatintų kibirkštis šokinėti tarp antrojo rinkinio ir taip veikti kaip daviklis ir imtuvas. Hertzas sugebėjo padidinti sąrankos jautrumą, apšviesdamas ją. Po metų J.J. Thompsonas atrado, kad padidėjęs jautrumas atsirado dėl šviesos, dėl kurios elektronai buvo išstumti.

Nors Hertzo padėjėjas Phillipas Lenardas nustatė, kad intensyvumas neturi įtakos fotoelektronų kinetinei energijai, būtent Robertas Millikanas atrado slenksčio dažnį. Vėliau Einšteinas galėjo paaiškinti keistą reiškinį, prisiimdamas energijos kiekybinį įvertinimą.

Albertui Einšteinui už fotoelektros dėsnio atradimą 1921 m. Buvo suteikta Nobelio premija efektą, o Milikanas 1923 m. laimėjo Nobelio premiją taip pat už darbą, susijusį su fotoelektriko supratimu poveikis.

Fotoelektrinis efektas turi daugybę paskirčių. Vienas iš jų yra tas, kad jis leidžia mokslininkams ištirti elektronų energijos lygius materijoje nustatant slenksčio dažnį, kuriuo krintanti šviesa sukelia emisiją. Šį efektą panaudojantys fotokompresoriaus vamzdeliai taip pat buvo naudojami senesnėse televizijos kamerose.

Labai naudingas fotoelektrinis efektas yra saulės kolektorių konstrukcijos. Saulės baterijos yra fotovoltinių elementų masyvai, tai yra elementai, kurie naudoja elektronus, kuriuos saulės spinduliuotė išmeta iš metalų, kad generuotų srovę. Nuo 2018 m. Beveik 3 proc. Pasaulio energijos gamina saulės baterijos, tačiau šis skaičius yra tikimasi, kad per ateinančius kelerius metus jis žymiai išaugs, ypač dėl tokių plokščių efektyvumo dideja.

Tačiau svarbiausia tai, kad fotoelektrinio efekto atradimas ir supratimas padėjo pagrindą kvantinės mechanikos sričiai ir geresniam šviesos prigimties supratimui.

Yra daugybė eksperimentų, kuriuos galima atlikti įvadinėje fizikos laboratorijoje, siekiant parodyti fotoelektrinį efektą. Kai kurie iš jų yra sudėtingesni nei kiti.

Paprastas eksperimentas parodo fotoelektrinį efektą elektroskopu ir ultravioletinę šviesą skleidžiančia UV-C lempa. Uždėkite neigiamą krūvį ant elektroskopo taip, kad adata nukreiptų. Tada pašvieskite UV-C lempą. Lempos šviesa išlaisvins elektronus iš elektroskopo ir jį išleis. Galite pasakyti, kad taip atsitinka, matant adatos deformaciją. Tačiau atkreipkite dėmesį, kad jei bandytumėte tą patį eksperimentą su teigiamai įkrautu elektroskopu, jis neveiks.

Yra daugybė kitų galimų būdų eksperimentuoti su fotoelektriniu efektu. Kelios sąrankos apima fotoelementą, susidedantį iš didelio anodo, kuris, patekęs į krintančią šviesą, išskirs elektronus, kuriuos pasiima katodas. Pavyzdžiui, jei ši sąranka prijungta prie voltmetro, fotoelektrinis efektas išryškės, kai šviečiant šviesai sukuriama įtampa.

Sudėtingesnė sąranka leidžia tiksliau matuoti ir netgi leidžia nustatyti įvairių medžiagų darbo funkciją ir slenksčio dažnį. Nuorodas rasite skyriuje „Ištekliai“.