Fotoelektriskais efekts: definīcija, vienādojums un eksperiments

Viss klasiskajā fizikā iemācītais tika pagriezts uz galvas, kad fiziķi pētīja arvien mazākas sfēras un atklāja kvantu efektus. Starp pirmajiem no šiem atklājumiem bija fotoelektriskais efekts. 1900. gadu sākumā šī efekta rezultāti neatbilda klasiskajām prognozēm un bija izskaidrojami tikai ar kvantu teoriju, paverot fiziķiem pilnīgi jaunu pasauli.

Mūsdienās fotoelektriskajam efektam ir arī daudz praktisku pielietojumu. Sākot no medicīniskās attēlveidošanas līdz tīras enerģijas ražošanai, šī efekta atklāšanai un pielietošanai tagad ir sekas, kas pārsniedz zinātnes izpratni.

Kad gaisma vai elektromagnētiskais starojums skar materiālu, piemēram, metāla virsmu, šis materiāls dažreiz izstaro elektronus, ko saucfotoelektroni. Būtībā tas ir tāpēc, ka materiālā esošie atomi absorbē starojumu kā enerģiju. Elektroni atomos absorbē starojumu, lecot uz augstāku enerģijas līmeni. Ja absorbētā enerģija ir pietiekami augsta, elektroni pilnībā atstāj savu mājas atomu.

Šo procesu dažreiz sauc arī

Fotoelektriskā efekta īpašākais elements bija tas, ka tas neievēroja klasiskās prognozes. Veids, kādā tika izstaroti elektroni, emitētais skaits un tas, kā tas mainījās ar gaismas intensitāti, atstāja zinātniekus, kas sākotnēji saskrāpēja galvas.

Sākotnējās prognozes par klasiskās fizikas fotoelektriskā efekta rezultātiem ietvēra sekojošo:

1. Enerģija no notiekošā starojuma pāriet uz elektroniem. Tika pieņemts, ka neatkarīgi no tā, kāda enerģija notiek uz materiālu, elektroni tieši absorbētu atomos neatkarīgi no viļņa garuma. Tam ir jēga klasiskās mehānikas paradigmā: tas, ko jūs ielejiet spainī, piepilda kausu par šo daudzumu.
2. Gaismas intensitātes izmaiņām vajadzētu izraisīt elektronu kinētiskās enerģijas izmaiņas. Ja tiek pieņemts, ka elektroni absorbē jebkuru starojumu, kas uz tiem notiek, tad lielāka daļa no tā paša starojuma viņiem attiecīgi piešķir vairāk enerģijas. Kad elektroni ir atstājuši savu atomu robežas, šī enerģija ir redzama kinētiskās enerģijas formā.
3. Ļoti zemas intensitātes gaismai vajadzētu dot laika starpību starp gaismas absorbciju un elektronu emisiju. Tas būtu tāpēc, ka tika pieņemts, ka elektroniem jāiegūst pietiekami daudz enerģijas, lai atstātu savu mājas atomu, un zemas intensitātes gaisma ir tāda pati kā enerģijas pievienošana viņu enerģijas “spainim” lēnāk. Lai to piepildītu, nepieciešams ilgāks laiks, un līdz ar to vajadzētu paiet ilgāk, pirms elektroniem ir pietiekami daudz enerģijas, lai tos izstarotu.

Faktiskie rezultāti nepavisam neatbilda prognozēm. Tas ietvēra sekojošo:

1. Elektroni tika atbrīvoti tikai tad, kad krītošā gaisma sasniedza vai pārsniedza sliekšņa frekvenci. Zem šīs frekvences emisijas nenotika. Nav svarīgi, vai intensitāte bija augsta vai zema. Nez kāpēc pašas gaismas frekvence vai viļņa garums bija daudz svarīgāks.
2. Intensitātes izmaiņas nedeva izmaiņas elektronu kinētiskajā enerģijā. Viņi mainīja tikai izstaroto elektronu skaitu. Pēc sliekšņa frekvences sasniegšanas intensitātes palielināšana katram izstarotajam elektronam nemaz nepievienoja vairāk enerģijas. Tā vietā viņi visi nonāca pie vienas kinētiskās enerģijas; viņu bija tikai vairāk.
3. Laika nobīde nebija pie zemas intensitātes. Šķita, ka nav laika, kas vajadzīgs, lai “piepildītu enerģijas spaini” jebkuram dotajam elektronam. Ja bija jāizstaro elektrons, tas nekavējoties izdalījās. Zemāka intensitāte neietekmēja kinētisko enerģiju vai kavēšanās laiku; tas vienkārši izraisīja mazāk elektronu izstarošanu.

Vienīgais veids, kā izskaidrot šo parādību, bija kvantu mehānikas izmantošana. Domājiet par gaismas staru nevis par vilni, bet gan par diskrētu viļņu pakešu kolekciju, ko sauc par fotoniem. Visiem fotoniem ir atšķirīgas enerģijas vērtības, kas atbilst gaismas biežumam un viļņa garumam, kā to izskaidro viļņu daļiņu dualitāte.

Turklāt ņem vērā, ka elektroni spēj pāriet tikai starp atsevišķiem enerģijas stāvokļiem. Viņiem var būt tikai noteiktas enerģētiskās vērtības, bet starp tām nekad nav nevienas vērtības. Tagad novērotās parādības var izskaidrot šādi:

1. Elektroni izdalās tikai tad, kad tie absorbē ļoti specifiskas pietiekamas enerģijas vērtības. Jebkurš elektrons, kas saņem pareizo enerģijas paketi (fotonu enerģiju), tiks atbrīvots. Neviens netiek atbrīvots, ja krītošās gaismas frekvence ir pārāk zema neatkarīgi no intensitātes, jo neviena no enerģijas paketēm nav atsevišķi pietiekami liela.
2. Kad sliekšņa frekvence ir pārsniegta, pieaugošā intensitāte tikai palielina elektronu skaitu atbrīvojas, nevis pašu elektronu enerģija, jo katrs izstarotais elektrons absorbē vienu diskrēto fotons. Lielāka intensitāte nozīmē vairāk fotonu un līdz ar to vairāk fotoelektronu.
3. Nav laika kavēšanās pat ar zemu intensitāti, kamēr frekvence ir pietiekami augsta, jo, tiklīdz elektrons saņem pareizo enerģijas paketi, tas tiek atbrīvots. Zema intensitāte rada tikai mazāk elektronu.

Viens svarīgs jēdziens, kas saistīts ar fotoelektrisko efektu, ir darba funkcija. Zināms arī kā elektronu saistoša enerģija, tā ir minimālā enerģija, kas nepieciešama, lai elektronu noņemtu no cietas vielas.

Darba funkcijas formulu sniedz:

Kur-eir elektronu lādiņš,ϕir elektrostatiskais potenciāls vakuumā netālu no virsmas unEir Fermi elektronu līmenis materiālā.

Elektrostatiskais potenciāls tiek mērīts voltos, un tas ir elektriskā potenciāla enerģijas mērījums uz lādiņa vienību. Tādējādi pirmais termins izteiksmē,-eϕ, ir elektrona elektriskā potenciālā enerģija materiāla virsmas tuvumā.

Fermi līmeni var uzskatīt par attālākā elektrona enerģiju, kad atoms atrodas pamatstāvoklī.

Sliekšņa biežums ir cieši saistīts ar darba funkciju. Šī ir minimālā frekvence, kādā notiekošie fotoni izraisīs elektronu emisiju. Frekvence ir tieši saistīta ar enerģiju (augstāka frekvence atbilst augstākai enerģijai), tāpēc ir jāsasniedz minimālā frekvence.

Virs sliekšņa frekvences elektronu kinētiskā enerģija ir atkarīga no gaismas biežuma, nevis no gaismas intensitātes. Būtībā viena fotona enerģija tiks pilnībā pārnesta uz vienu elektronu. Noteikts daudzums šīs enerģijas tiek izmantots elektronu izstumšanai, un atlikusī daļa ir tā kinētiskā enerģija. Atkal lielāka intensitāte nozīmē tikai to, ka tiks izstaroti vairāk elektronu, nevis tas, ka izstarotajiem būs vairāk enerģijas.

Emitēto elektronu maksimālo kinētisko enerģiju var atrast, izmantojot šādu vienādojumu:

KurK_maksir fotoelektrona maksimālā kinētiskā enerģija,hir Plankas konstante = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,fir gaismas frekvence unf₀ir sliekšņa biežums.

Jūs varat domāt, ka fotoelektriskā efekta atklāšana notiek divos posmos. Pirmkārt, fotoelektronu emisijas atklāšana no noteiktiem materiāliem krītošās gaismas rezultātā, otrkārt, noteikšana ka šis efekts nepavisam nepakļaujas klasiskajai fizikai, kas noveda pie daudziem svarīgiem pamatiem mūsu kvantu izpratnei mehānika.

Heinrihs Hercs fotoelektrisko efektu pirmo reizi novēroja 1887. gadā, veicot eksperimentus ar dzirksteļu spraugas ģeneratoru. Uzstādīšana ietvēra divus metāla sfēru pārus. Dzirksteles, kas rodas starp pirmo sfēru kopu, izraisītu dzirksteļu lēcienu starp otro kopu, tādējādi darbojoties kā devējs un uztvērējs. Hercs spēja palielināt iestatīšanas jutīgumu, spīdot uz tā gaismu. Pēc gadiem Dž. Tompsons atklāja, ka paaugstināta jutība rodas no gaismas, kas izraisa elektronu izstumšanu.

Kamēr Herca palīgs Filips Lenards noteica, ka intensitāte neietekmē fotoelektronu kinētisko enerģiju, sliekšņa frekvenci atklāja Roberts Millikans. Vēlāk Einšteins varēja izskaidrot dīvaino parādību, pieņemot enerģijas kvantēšanu.

Albertam Einšteinam 1921. gadā tika piešķirta Nobela prēmija par fotoelektriskā likuma atklāšanu efektu, un Millikans 1923. gadā ieguva Nobela prēmiju arī par darbu, kas saistīts ar fotoelektriskā izpratni efekts.

Fotoelektriskajam efektam ir daudz pielietojumu. Viens no tiem ir tas, ka tas ļauj zinātniekiem pārbaudīt elektronu enerģijas līmeni matērijā, nosakot sliekšņa frekvenci, kurā krītošā gaisma izraisa emisiju. Fotokompresoru lampas, izmantojot šo efektu, tika izmantotas arī vecākās televīzijas kamerās.

Ļoti noderīgs fotoelektriskā efekta pielietojums ir saules paneļu konstrukcijā. Saules paneļi ir fotoelementu bloki, kas ir elementi, kas strāvas ģenerēšanai izmanto elektronus, kurus saules starojums izstaro no metāliem. Sākot ar 2018. gadu, gandrīz 3 procentus pasaules enerģijas ražo saules paneļi, taču šis skaitlis ir paredzams, ka nākamajos vairākos gados tas ievērojami pieaugs, jo īpaši šādu paneļu efektivitāte palielinās.

Bet vissvarīgākais ir tas, ka fotoelektriskā efekta atklāšana un izpratne ir pamats kvantu mehānikas laukam un labākai gaismas būtības izpratnei.

Ir daudz eksperimentu, kurus var veikt ievadfizikas laboratorijā, lai parādītu fotoelektrisko efektu. Daži no tiem ir sarežģītāki nekā citi.

Vienkāršs eksperiments demonstrē fotoelektrisko efektu ar elektroskopu un UV-C lampu, kas nodrošina ultravioleto gaismu. Novietojiet negatīvo lādiņu uz elektroskopu tā, lai adata novirzītos. Tad spīdiet UV-C lampu. Gaisma no lampas atbrīvos elektronus no elektroskopa un izlādēs to. Jūs varat pateikt, ka tas notiek, redzot adatas deformācijas samazināšanos. Tomēr ņemiet vērā, ka, izmēģinot to pašu eksperimentu ar pozitīvi uzlādētu elektroskopu, tas nedarbosies.

Ir daudz citu veidu, kā eksperimentēt ar fotoelektrisko efektu. Vairāki uzstādījumi ietver fotoelementu, kas sastāv no liela anoda, kas, nokļūstot ar krītošu gaismu, atbrīvos elektronus, kurus uztver katods. Piemēram, ja šī iestatīšana ir savienota ar voltmetru, fotoelektriskais efekts kļūs redzams, kad gaismas spīdēšana rada spriegumu.

Sarežģītāki iestatījumi ļauj veikt precīzāku mērīšanu un pat ļauj noteikt dažādu materiālu darba funkciju un sliekšņa frekvences. Saites skatiet sadaļā Resursi.