Fotoelektrisk effekt: definisjon, ligning og eksperiment

Alt som ble lært i klassisk fysikk ble satt på hodet da fysikere utforsket stadig mindre riker og oppdaget kvanteeffekter. Blant de første av disse funnene var den fotoelektriske effekten. På begynnelsen av 1900-tallet klarte ikke resultatene av denne effekten å matche klassiske spådommer og var bare forklarbare med kvanteteori, noe som åpnet en helt ny verden for fysikere.

I dag har den fotoelektriske effekten også mange praktiske anvendelser. Fra medisinsk bildebehandling til produksjon av ren energi, har oppdagelsen og anvendelsen av denne effekten nå implikasjoner som går langt utover bare å forstå vitenskapen.

Når lys eller elektromagnetisk stråling treffer et materiale som en metalloverflate, avgir det materialet noen ganger elektroner, kaltfotoelektroner. Dette er i hovedsak fordi atomer i materialet absorberer strålingen som energi. Elektroner i atomer absorberer stråling ved å hoppe til høyere energinivå. Hvis den absorberte energien er høy nok, forlater elektronene hjemmet deres helt.

Noen ganger kalles også denne prosessenfotoemisjonfordi innfallende fotoner (et annet navn på lyspartikler) er den direkte årsaken til utslipp av elektroner. Fordi elektroner har en negativ ladning, blir metallplaten som de ble utsendt fra, ionisert.

Det som var mest spesielt med den fotoelektriske effekten, var imidlertid at den ikke fulgte klassiske spådommer. Måten elektronene ble sluppet på, antallet som ble sendt ut og hvordan dette endret seg med lysintensitet, etterlot forskere i første omgang.

De opprinnelige spådommene om resultatene av den fotoelektriske effekten fra klassisk fysikk inkluderte følgende:

1. Energioverføringer fra innfallende stråling til elektronene. Det ble antatt at uansett hvilken energi som kommer inn på materialet ville bli absorbert direkte av elektronene i atomene, uavhengig av bølgelengde. Dette gir mening i det klassiske mekanikkparadigmet: Uansett hva du heller i bøtta, fyller du bøtta med den mengden.
2. Endringer i lysintensitet skal gi endringer i elektroners kinetiske energi. Hvis det antas at elektroner absorberer den strålingen som rammer dem, bør mer av den samme strålingen gi dem mer energi tilsvarende. Når elektronene har forlatt atomene sine, blir den energien sett i form av kinetisk energi.
3. Svært lavintensivt lys skal gi et tidsforsinkelse mellom lysabsorpsjon og utslipp av elektroner. Dette ville være fordi det ble antatt at elektroner må få nok energi til å forlate hjemmeatomet, og lys med lav intensitet er som å tilføre energi til deres "bøtte" saktere. Det tar lengre tid å fylle, og derfor bør det ta lengre tid før elektronene har nok energi til å slippes ut.

De faktiske resultatene var ikke i samsvar med spådommene. Dette inkluderte følgende:

1. Elektroner ble frigitt bare når hendelseslyset nådde eller overskred en terskelfrekvens. Ingen utslipp skjedde under den frekvensen. Det spilte ingen rolle om intensiteten var høy eller lav. Av en eller annen grunn var frekvensen eller bølgelengden til selve lyset mye viktigere.
2. Endringer i intensitet ga ikke endringer i elektroners kinetiske energi. De endret bare antall elektroner som sendes ut. Når terskelfrekvensen var nådd, økte ikke intensiteten i det hele tatt mer energi til hvert emitterte elektron. I stedet endte de alle med den samme kinetiske energien; det var bare flere av dem.
3. Det var ingen tidsforsinkelse ved lave intensiteter. Det syntes ikke å være tid til å "fylle energibøtta" til et gitt elektron. Hvis et elektron skulle sendes ut, ble det sendt ut umiddelbart. Lavere intensitet hadde ingen effekt på kinetisk energi eller forsinkelsestid; det resulterte ganske enkelt i at det sendes ut færre elektroner.

Den eneste måten å forklare dette fenomenet var å påberope kvantemekanikk. Tenk på en lysstråle ikke som en bølge, men som en samling av diskrete bølgepakker som kalles fotoner. Fotonene har alle forskjellige energiverdier som tilsvarer frekvensen og bølgelengden til lyset, som forklart av bølgepartikkel-dualitet.

I tillegg bør du vurdere at elektronene bare er i stand til å hoppe mellom diskrete energitilstander. De kan bare ha spesifikke energiverdier, men aldri noen verdier i mellom. Nå kan de observerte fenomenene forklares som følger:

1. Elektroner frigjøres bare når de absorberer veldig spesifikke tilstrekkelige energiverdier. Ethvert elektron som får riktig energipakke (foton energi) vil bli frigitt. Ingen frigjøres hvis frekvensen av det innfallende lyset er for lav uavhengig av intensitet fordi ingen av energipakkene er individuelt store nok.
2. Når terskelfrekvensen er overskredet, øker økende intensitet bare antall elektroner frigjort og ikke energien til selve elektronene fordi hvert utsendte elektron absorberer en diskret foton. Større intensitet betyr flere fotoner, og dermed flere fotoelektroner.
3. Det er ingen tidsforsinkelse selv ved lav intensitet så lenge frekvensen er høy nok, for så snart et elektron får riktig energipakke, frigjøres det. Lav intensitet resulterer bare i færre elektroner.

Et viktig konsept relatert til den fotoelektriske effekten er arbeidsfunksjonen. Også kjent som elektronbindende energi, er det den minste energien som trengs for å fjerne et elektron fra et fast stoff.

Formelen for arbeidsfunksjonen er gitt av:

Hvor-eer elektronladningen,ϕer det elektrostatiske potensialet i vakuumet i nærheten av overflaten ogEer Fermi-nivået av elektroner i materialet.

Elektrostatisk potensial måles i volt og er et mål på den elektriske potensielle energien per enhetsladning. Derav den første termen i uttrykket,-eϕ, er den elektriske potensielle energien til et elektron nær overflaten av materialet.

Fermi-nivået kan betraktes som energien til det ytterste elektronet når atomet er i grunntilstand.

Tett knyttet til arbeidsfunksjonen er terskelfrekvensen. Dette er minimumsfrekvensen som innfallende fotoner vil forårsake utslipp av elektroner. Frekvens er direkte relatert til energi (høyere frekvens tilsvarer høyere energi), hvorfor en minimumsfrekvens må nås.

Over terskelfrekvensen avhenger elektronenes kinetiske energi av frekvensen og ikke lysets intensitet. I utgangspunktet vil energien til en enkelt foton overføres helt til et enkelt elektron. En viss mengde av den energien brukes til å skille ut elektronet, og resten er dens kinetiske energi. Igjen, en større intensitet betyr bare at flere elektroner vil bli sendt ut, ikke at de som sendes ut vil ha mer energi.

Den maksimale kinetiske energien til sendte elektroner kan bli funnet via følgende ligning:

HvorK_makser den maksimale kinetiske energien til fotoelektronen,her Plancks konstant = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,fer frekvensen til lyset ogf₀er terskelfrekvensen.

Du kan tenke på oppdagelsen av den fotoelektriske effekten som skjer i to trinn. For det første oppdagelsen av utslipp av fotoelektroner fra visse materialer som et resultat av innfallende lys, og for det andre bestemmelsen at denne effekten ikke overholder klassisk fysikk i det hele tatt, noe som førte til mange viktige grunnlag for vår forståelse av kvante mekanikk.

Heinrich Hertz observerte først den fotoelektriske effekten i 1887 mens han utførte eksperimenter med en gnistgapgenerator. Oppsettet involverte to par metallkuler. Gnister som genereres mellom det første settet med kuler, vil få gnister til å hoppe mellom det andre settet og dermed fungere som svinger og mottaker. Hertz klarte å øke følsomheten til oppsettet ved å skinne lys på det. År senere, J.J. Thompson oppdaget at den økte følsomheten skyldtes at lyset forårsaket at elektronene ble kastet ut.

Mens Hertzs ​​assistent Phillip Lenard bestemte at intensiteten ikke påvirket fotoelektronenes kinetiske energi, var det Robert Millikan som oppdaget terskelfrekvensen. Senere klarte Einstein å forklare det rare fenomenet ved å anta kvantisering av energi.

Albert Einstein ble tildelt Nobelprisen i 1921 for sin oppdagelse av loven om fotoelektrisk effekt, og Millikan vant Nobelprisen i 1923 også for arbeid knyttet til forståelse av fotoelektrisk effekt.

Den fotoelektriske effekten har mange bruksområder. En av disse er at det tillater forskere å undersøke elektronenerginivået i materie ved å bestemme terskelfrekvensen som innfallende lys forårsaker utslipp. Fotomultiplikatorrør som bruker denne effekten ble også brukt i eldre TV-kameraer.

En veldig nyttig anvendelse av den fotoelektriske effekten er i konstruksjonen av solcellepaneler. Solcellepaneler er matriser med solceller, som er celler som bruker elektroner som mates ut av metaller ved solstråling for å generere strøm. Fra og med 2018 genereres nesten 3 prosent av verdens energi av solcellepaneler, men dette tallet er forventes å vokse betydelig de neste årene, særlig som effektiviteten til slike paneler øker.

Men viktigst av alt, oppdagelsen og forståelsen av den fotoelektriske effekten la grunnlaget for feltet for kvantemekanikk og en bedre forståelse av lysets natur.

Det er mange eksperimenter som kan utføres i et innledende fysikklaboratorium for å demonstrere den fotoelektriske effekten. Noen av disse er mer kompliserte enn andre.

Et enkelt eksperiment demonstrerer den fotoelektriske effekten med et elektroskop og en UV-C-lampe som gir ultrafiolett lys. Plasser negativ ladning på elektroskopet slik at nålen avbøyes. Skinn deretter UV-C-lampen. Lys fra lampen vil frigjøre elektroner fra elektroskopet og lade det ut. Du kan fortelle at dette skjer ved å se nålens avbøyning redusere. Vær imidlertid oppmerksom på at hvis du prøvde det samme eksperimentet med et positivt ladet elektroskop, ville det ikke fungere.

Det er mange andre mulige måter å eksperimentere med den fotoelektriske effekten. Flere oppsett involverer en fotocelle som består av en stor anode som, når den treffes med innfallende lys, vil frigjøre elektroner som blir plukket opp av en katode. Hvis dette oppsettet er koblet til et voltmeter, for eksempel, vil den fotoelektriske effekten bli tydelig når lyset skaper en spenning.

Mer komplekse oppsett muliggjør mer nøyaktig måling og til og med lar deg bestemme arbeidsfunksjonen og terskelfrekvensene for forskjellige materialer. Se Ressurser-delen for lenker.