Efekt fotoelektryczny: definicja, równanie i eksperyment

Wszystko, czego nauczono się w fizyce klasycznej, zostało postawione na głowie, gdy fizycy badali coraz mniejsze dziedziny i odkrywali efekty kwantowe. Jednym z pierwszych z tych odkryć był efekt fotoelektryczny. Na początku XX wieku wyniki tego efektu nie były zgodne z klasycznymi przewidywaniami i można je było wyjaśnić jedynie teorią kwantową, otwierając przed fizykami zupełnie nowy świat.

Obecnie efekt fotoelektryczny ma również wiele praktycznych zastosowań. Od obrazowania medycznego po produkcję czystej energii, odkrycie i zastosowanie tego efektu ma teraz implikacje, które wykraczają daleko poza zwykłe zrozumienie nauki.

Kiedy światło lub promieniowanie elektromagnetyczne uderza w materiał, taki jak metalowa powierzchnia, materiał ten czasami emituje elektrony, zwanefotoelektrony. Dzieje się tak głównie dlatego, że atomy w materiale pochłaniają promieniowanie jako energię. Elektrony w atomach pochłaniają promieniowanie, przeskakując na wyższe poziomy energii. Jeśli pochłonięta energia jest wystarczająco wysoka, elektrony całkowicie opuszczają swój atom macierzysty.

Ten proces jest czasami nazywany równieżfotoemisjaponieważ fotony padające (inna nazwa cząstek światła) są bezpośrednią przyczyną emisji elektronów. Ponieważ elektrony mają ładunek ujemny, metalowa płytka, z której zostały wyemitowane, pozostaje zjonizowana.

Jednak najbardziej szczególne w efekcie fotoelektrycznym było to, że nie spełniał on klasycznych przewidywań. Sposób, w jaki elektrony zostały wyemitowane, ich liczba i jak zmieniało się to wraz z intensywnością światła, wszystko to pozostawiło naukowców początkowo drapiących się po głowach.

Pierwotne przewidywania dotyczące wyników efektu fotoelektrycznego wykonane na podstawie fizyki klasycznej obejmowały:

1. Przenosi się energia z padającego promieniowania na elektrony. Założono, że jakakolwiek energia padająca na materiał zostanie bezpośrednio pochłonięta przez elektrony w atomach, niezależnie od długości fali. Ma to sens w paradygmacie mechaniki klasycznej: cokolwiek wlewasz do wiadra, wypełnia wiadro taką ilością.
2. Zmiany natężenia światła powinny dawać zmiany energii kinetycznej elektronów. Jeśli założymy, że elektrony pochłaniają jakiekolwiek promieniowanie padające na nie, to więcej tego samego promieniowania powinno dać im odpowiednio więcej energii. Gdy elektrony opuszczą granice swoich atomów, energia ta jest widziana w postaci energii kinetycznej.
3. Światło o bardzo niskiej intensywności powinno dawać opóźnienie czasowe między absorpcją światła a emisją elektronów. Byłoby tak, ponieważ założono, że elektrony muszą uzyskać wystarczającą ilość energii, aby opuścić swój atom macierzysty, a światło o niskiej intensywności jest jak wolniejsze dodawanie energii do ich „wiadra” energii. Wypełnienie trwa dłużej, a zatem powinno zająć więcej czasu, zanim elektrony będą miały wystarczającą energię do wyemitowania.

Rzeczywiste wyniki wcale nie były zgodne z przewidywaniami. Obejmowały one następujące elementy:

1. Elektrony były uwalniane tylko wtedy, gdy padające światło osiągnęło lub przekroczyło częstotliwość progową. Poniżej tej częstotliwości nie wystąpiła emisja. Nie miało znaczenia, czy intensywność była wysoka czy niska. Z jakiegoś powodu o wiele ważniejsza była częstotliwość lub długość fali samego światła.
2. Zmiany natężenia nie powodowały zmian energii kinetycznej elektronów. Zmienili tylko liczbę emitowanych elektronów. Gdy osiągnięto częstotliwość progową, zwiększenie intensywności w ogóle nie dodało więcej energii do każdego emitowanego elektronu. Zamiast tego wszystkie skończyły z tą samą energią kinetyczną; było ich tylko więcej.
3. Przy niskich intensywnościach nie było opóźnienia. Wydawało się, że nie potrzeba czasu, aby „napełnić wiadro energii” dowolnego elektronu. Jeśli miał zostać wyemitowany elektron, został wyemitowany natychmiast. Niższa intensywność nie miała wpływu na energię kinetyczną ani czas opóźnienia; spowodowało to po prostu emisję mniejszej liczby elektronów.

Jedynym sposobem wyjaśnienia tego zjawiska było przywołanie mechaniki kwantowej. Pomyśl o wiązce światła nie jako fali, ale jako zbiorze dyskretnych pakietów fal zwanych fotonami. Wszystkie fotony mają różne wartości energii, które odpowiadają częstotliwości i długości fali światła, co wyjaśnia dualność falowo-cząsteczkowa.

Ponadto weź pod uwagę, że elektrony są w stanie przeskakiwać tylko między dyskretnymi stanami energetycznymi. Mogą mieć tylko określone wartości energetyczne, ale nigdy żadne wartości pośrednie. Teraz obserwowane zjawiska można wyjaśnić w następujący sposób:

1. Elektrony są uwalniane tylko wtedy, gdy pochłaniają bardzo specyficzne, wystarczające wartości energii. Każdy elektron, który otrzyma odpowiedni pakiet energii (energię fotonu), zostanie uwolniony. Żadne z nich nie są uwalniane, jeśli częstotliwość padającego światła jest zbyt niska, niezależnie od intensywności, ponieważ żaden z pakietów energii nie jest wystarczająco duży z osobna.
2. Po przekroczeniu częstotliwości progowej, zwiększenie intensywności zwiększa tylko liczbę elektronów uwolnione, a nie energia samych elektronów, ponieważ każdy wyemitowany elektron pochłania jeden dyskretny foton. Większa intensywność oznacza więcej fotonów, a co za tym idzie więcej fotoelektronów.
3. Nie ma opóźnienia czasowego nawet przy niskim natężeniu, o ile częstotliwość jest wystarczająco wysoka, ponieważ gdy tylko elektron dostanie odpowiedni pakiet energii, zostaje uwolniony. Niska intensywność skutkuje tylko mniejszą liczbą elektronów.

Ważnym pojęciem związanym z efektem fotoelektrycznym jest funkcja pracy. Znana również jako energia wiązania elektronów, jest to minimalna energia potrzebna do usunięcia elektronu z ciała stałego.

Wzór na funkcję pracy wyrażony jest wzorem:

Gdzie-mijest ładunek elektronu,ϕjest potencjałem elektrostatycznym w próżni w pobliżu powierzchni imito poziom Fermiego elektronów w materiale.

Potencjał elektrostatyczny jest mierzony w woltach i jest miarą elektrycznej energii potencjalnej na jednostkę ładunku. Stąd pierwszy wyraz w wyrażeniu:-eϕ, jest elektryczną energią potencjalną elektronu w pobliżu powierzchni materiału.

Poziom Fermiego można traktować jako energię najbardziej zewnętrznego elektronu, gdy atom znajduje się w stanie podstawowym.

Ściśle związana z funkcją pracy jest częstotliwość progowa. Jest to minimalna częstotliwość, przy której padające fotony spowodują emisję elektronów. Częstotliwość jest bezpośrednio związana z energią (wyższa częstotliwość odpowiada wyższej energii), dlatego należy osiągnąć minimalną częstotliwość.

Powyżej częstotliwości progowej energia kinetyczna elektronów zależy od częstotliwości, a nie od natężenia światła. Zasadniczo energia pojedynczego fotonu zostanie w całości przeniesiona na pojedynczy elektron. Pewna ilość tej energii jest wykorzystywana do wyrzucenia elektronu, a pozostała część to jego energia kinetyczna. Ponownie, większa intensywność oznacza po prostu wyemitowanie większej liczby elektronów, a nie, że te wyemitowane będą miały więcej energii.

Maksymalną energię kinetyczną emitowanych elektronów można znaleźć za pomocą następującego równania:

GdzieK_maksjest maksymalną energią kinetyczną fotoelektronu,hjest stałą Plancka = 6,62607004 ×10^-34 m²kg/s,fato częstotliwość światła ifa₀to częstotliwość progowa.

Możesz myśleć o odkryciu efektu fotoelektrycznego w dwóch etapach. Po pierwsze odkrycie emisji fotoelektronów z niektórych materiałów w wyniku padającego światła, a po drugie określenie że efekt ten w ogóle nie jest zgodny z fizyką klasyczną, co doprowadziło do wielu ważnych podstaw naszego rozumienia kwantowego mechanika.

Heinrich Hertz po raz pierwszy zaobserwował efekt fotoelektryczny w 1887 roku podczas przeprowadzania eksperymentów z generatorem iskierników. Zestaw składał się z dwóch par metalowych kul. Iskry generowane między pierwszym zestawem sfer wywołałyby przeskakiwanie iskier między drugim zestawem, działając w ten sposób jako przetwornik i odbiornik. Hertz był w stanie zwiększyć czułość zestawu, oświetlając go światłem. Wiele lat później J.J. Thompson odkrył, że zwiększona czułość jest wynikiem wyrzucania elektronów przez światło.

Podczas gdy asystent Hertza, Phillip Lenard, ustalił, że intensywność nie wpływa na energię kinetyczną fotoelektronów, to Robert Millikan odkrył częstotliwość progową. Później Einstein był w stanie wyjaśnić to dziwne zjawisko, zakładając kwantyzację energii.

Albert Einstein otrzymał Nagrodę Nobla w 1921 r. za odkrycie prawa fotoelektrycznego efekt, a Millikan otrzymał Nagrodę Nobla w 1923 r. również za prace związane ze zrozumieniem fotoelektryka efekt.

Efekt fotoelektryczny ma wiele zastosowań. Jednym z nich jest to, że umożliwia naukowcom badanie poziomów energii elektronów w materii poprzez określenie progowej częstotliwości, przy której padające światło powoduje emisję. Fotopowielacze wykorzystujące ten efekt były również stosowane w starszych kamerach telewizyjnych.

Bardzo przydatnym zastosowaniem efektu fotoelektrycznego jest budowa paneli słonecznych. Panele słoneczne to układy ogniw fotowoltaicznych, które wykorzystują elektrony wyrzucane z metali przez promieniowanie słoneczne do generowania prądu. W 2018 r. prawie 3 procent światowej energii pochodziło z paneli słonecznych, ale liczba ta wynosi oczekuje się, że w ciągu najbliższych kilku lat znacznie wzrośnie, zwłaszcza że wydajność takich paneli wzrasta.

Ale co najważniejsze, odkrycie i zrozumienie efektu fotoelektrycznego położyło podwaliny pod mechanikę kwantową i lepsze zrozumienie natury światła.

Istnieje wiele eksperymentów, które można przeprowadzić we wstępnym laboratorium fizyki, aby zademonstrować efekt fotoelektryczny. Niektóre z nich są bardziej skomplikowane niż inne.

Prosty eksperyment demonstruje efekt fotoelektryczny z elektroskopem i lampą UV-C dostarczającą światło ultrafioletowe. Umieść ładunek ujemny na elektroskopie tak, aby igła uginała się. Następnie poświecić lampą UV-C. Światło z lampy uwolni elektrony z elektroskopu i wyładuje je. Możesz stwierdzić, że tak się dzieje, obserwując zmniejszenie ugięcia igły. Zwróć jednak uwagę, że gdybyś spróbował tego samego eksperymentu z dodatnio naładowanym elektroskopem, to nie zadziałałoby.

Istnieje wiele innych możliwych sposobów eksperymentowania z efektem fotoelektrycznym. Kilka konfiguracji obejmuje fotokomórkę składającą się z dużej anody, która po uderzeniu w padające światło uwolni elektrony wychwytywane przez katodę. Jeśli ta konfiguracja jest na przykład podłączona do woltomierza, efekt fotoelektryczny stanie się widoczny, gdy światło wytworzy napięcie.

Bardziej złożone konfiguracje pozwalają na dokładniejszy pomiar, a nawet pozwalają określić funkcję pracy i częstotliwości progowe dla różnych materiałów. Zobacz sekcję Zasoby, aby uzyskać linki.