Efect fotoelectric: definiție, ecuație și experiment

Tot ceea ce a învățat în fizica clasică a fost învins în timp ce fizicienii au explorat tărâmuri din ce în ce mai mici și au descoperit efecte cuantice. Printre primele dintre aceste descoperiri s-a numărat efectul fotoelectric. La începutul anilor 1900, rezultatele acestui efect nu reușeau să se potrivească cu predicțiile clasice și erau explicabile doar cu teoria cuantică, deschizând o lume cu totul nouă pentru fizicieni.

Astăzi, efectul fotoelectric are și multe aplicații practice. De la imagistica medicală la producerea de energie curată, descoperirea și aplicarea acestui efect au acum implicații care depășesc cu mult simpla înțelegere a științei.

Când lumina sau radiația electromagnetică lovește un material precum o suprafață metalică, acel material emite uneori electroni, numitfotoelectroni. Acest lucru se datorează în principal faptului că atomii din material absorb radiația ca energie. Electronii din atomi absorb radiațiile sărind la niveluri mai ridicate de energie. Dacă energia absorbită este suficient de mare, electronii părăsesc în întregime atomul de acasă.

Acest proces este numit uneori șifotoemisiunedeoarece fotonii incidenți (un alt nume pentru particulele de lumină) sunt cauza directă a emisiei de electroni. Deoarece electronii au o sarcină negativă, placa metalică din care au fost emiși este lăsată ionizată.

Cu toate acestea, ceea ce a fost cel mai special la efectul fotoelectric a fost că nu a urmat predicțiile clasice. Modul în care au fost emiși electronii, numărul care a fost emis și modul în care acest lucru s-a schimbat cu intensitatea luminii au lăsat oamenii de știință să se zgârie inițial pe cap.

Predicțiile inițiale cu privire la rezultatele efectului fotoelectric realizate din fizica clasică au inclus următoarele:

1. Transferurile de energie din radiațiile incidente către electroni. S-a presupus că orice energie este incidentă asupra materialului va fi absorbită direct de electronii din atomi, indiferent de lungimea de undă. Acest lucru are sens în paradigma mecanicii clasice: Orice veți turna în găleată umple găleată cu acea cantitate.
2. Modificările intensității luminii ar trebui să producă modificări ale energiei cinetice a electronilor. Dacă se presupune că electronii absorb orice radiație care este incidentă asupra lor, atunci mai mult din aceeași radiație ar trebui să le ofere mai multă energie în consecință. Odată ce electronii au părăsit limitele atomilor lor, acea energie este văzută sub forma energiei cinetice.
3. Lumina de intensitate foarte mică ar trebui să producă un decalaj între absorbția luminii și emisia de electroni. Acest lucru s-ar întâmpla pentru că s-a presupus că electronii trebuie să câștige suficientă energie pentru a-și părăsi atomul de acasă, iar lumina de intensitate redusă este ca și cum ai adăuga energie la „găleată” de energie mai încet. Este nevoie de mai mult timp pentru a se umple și, prin urmare, ar trebui să dureze mai mult înainte ca electronii să aibă suficientă energie pentru a fi emiși.

Rezultatele reale nu au fost deloc conforme cu previziunile. Aceasta a inclus următoarele:

1. Electronii au fost eliberați numai când lumina incidentă a atins sau a depășit o frecvență prag. Nu s-au produs emisii sub această frecvență. Nu conta dacă intensitatea era mare sau scăzută. Din anumite motive, frecvența sau lungimea de undă a luminii în sine a fost mult mai importantă.
2. Modificările de intensitate nu au produs modificări ale energiei cinetice a electronilor. Au schimbat doar numărul de electroni emiși. Odată ce frecvența de prag a fost atinsă, creșterea intensității nu a adăugat deloc mai multă energie la fiecare electron emis. În schimb, toți au ajuns cu aceeași energie cinetică; erau doar mai mulți dintre ei.
3. Nu a existat nici un decalaj de timp la intensități scăzute. Se pare că nu a fost nevoie de timp pentru a „umple găleata de energie” a vreunui electron dat. Dacă un electron trebuia să fie emis, acesta era emis imediat. Intensitatea mai mică nu a avut niciun efect asupra energiei cinetice sau asupra timpului de întârziere; pur și simplu a dus la emiterea unui număr mai mic de electroni.

Singura modalitate de a explica acest fenomen a fost invocarea mecanicii cuantice. Gândiți-vă la un fascicul de lumină nu ca o undă, ci ca o colecție de pachete de unde discrete numite fotoni. Fotonii au toți valori de energie distincte care corespund frecvenței și lungimii de undă a luminii, așa cum se explică prin dualitatea undă-particulă.

În plus, considerați că electronii sunt capabili să sară numai între stări discrete de energie. Ele pot avea doar valori energetice specifice, dar niciodată valori între ele. Acum fenomenele observate pot fi explicate după cum urmează:

1. Electronii sunt eliberați numai atunci când absorb valori energetice suficiente foarte specifice. Orice electron care primește pachetul de energie potrivit (energia fotonică) va fi eliberat. Niciunul nu este eliberat dacă frecvența luminii incidente este prea mică, indiferent de intensitate, deoarece niciunul dintre pachetele de energie nu este individual suficient de mare.
2. Odată ce frecvența pragului este depășită, creșterea intensității crește doar numărul de electroni eliberat și nu energia electronilor în sine, deoarece fiecare electron emis absoarbe unul discret foton. O intensitate mai mare înseamnă mai mulți fotoni și, prin urmare, mai mulți fotoelectroni.
3. Nu există întârziere, nici măcar la intensitate redusă, atâta timp cât frecvența este suficient de mare, deoarece imediat ce un electron primește pachetul de energie potrivit, acesta este eliberat. Intensitatea scăzută are ca rezultat doar mai puțini electroni.

Un concept important legat de efectul fotoelectric este funcția de lucru. Cunoscută și sub numele de energie de legare a electronilor, este energia minimă necesară pentru a îndepărta un electron dintr-un solid.

Formula pentru funcția de lucru este dată de:

Unde-eeste sarcina electronică,ϕeste potențialul electrostatic în vid în apropierea suprafeței șiEeste nivelul Fermi de electroni din material.

Potențialul electrostatic este măsurat în volți și este o măsură a energiei potențiale electrice pe unitate de încărcare. De aici primul termen din expresie,-eϕ, este energia potențială electrică a unui electron lângă suprafața materialului.

Nivelul Fermi poate fi considerat ca energia electronului cel mai exterior atunci când atomul se află în starea sa de bază.

Strâns legată de funcția de lucru este frecvența pragului. Aceasta este frecvența minimă la care fotonii incidenți vor provoca emisia de electroni. Frecvența este direct legată de energie (frecvența mai mare corespunde cu energia mai mare), de aceea trebuie atinsă o frecvență minimă.

Peste frecvența pragului, energia cinetică a electronilor depinde de frecvență și nu de intensitatea luminii. Practic energia unui singur foton va fi transferată în întregime către un singur electron. O anumită cantitate din această energie este utilizată pentru a scoate electronul, iar restul este energia sa cinetică. Din nou, o intensitate mai mare înseamnă doar că vor fi emiși mai mulți electroni, nu că cei emiși vor avea mai multă energie.

Energia cinetică maximă a electronilor emiși poate fi găsită prin următoarea ecuație:

UndeK_maxeste energia cinetică maximă a fotoelectronului,heste constanta lui Planck = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,feste frecvența luminii șif₀este frecvența pragului.

Vă puteți gândi că descoperirea efectului fotoelectric se întâmplă în două etape. În primul rând, descoperirea emisiilor de fotoelectroni din anumite materiale ca urmare a luminii incidente și, în al doilea rând, determinarea că acest efect nu se supune deloc fizicii clasice, ceea ce a dus la multe temeiuri importante ale înțelegerii noastre cuantice mecanica.

Heinrich Hertz a observat prima dată efectul fotoelectric în 1887 în timp ce efectua experimente cu un generator de scânteie. Configurarea a implicat două perechi de sfere metalice. Scânteile generate între primul set de sfere ar induce scânteile să sară între al doilea set, acționând astfel ca traductor și receptor. Hertz a reușit să crească sensibilitatea setării prin strălucirea luminii pe ea. Ani mai târziu, J.J. Thompson a descoperit că sensibilitatea crescută a rezultat din cauza faptului că lumina cauzează evacuarea electronilor.

În timp ce asistentul lui Hertz, Phillip Lenard, a stabilit că intensitatea nu afectează energia cinetică a fotoelectronilor, Robert Millikan a descoperit frecvența pragului. Mai târziu, Einstein a putut explica fenomenul ciudat presupunând cuantificarea energiei.

Albert Einstein a primit Premiul Nobel în 1921 pentru descoperirea legii fotoelectrice efect, iar Millikan a câștigat Premiul Nobel în 1923 și pentru munca legată de înțelegerea fotoelectricului efect.

Efectul fotoelectric are multe utilizări. Una dintre acestea este că permite oamenilor de știință să sondeze nivelurile de energie ale electronilor în materie, determinând frecvența pragului la care lumina incidentă provoacă emisii. Tuburile fotomultiplicatoare care folosesc acest efect au fost utilizate și în camerele de televiziune mai vechi.

O aplicație foarte utilă a efectului fotoelectric este în construcția panourilor solare. Panourile solare sunt tablouri de celule fotovoltaice, care sunt celule care folosesc electronii expulzați din metale de radiația solară pentru a genera curent. Începând din 2018, aproape 3% din energia lumii este generată de panourile solare, dar acest număr este se așteaptă să crească considerabil în următorii câțiva ani, mai ales ca eficiență a acestor panouri crește.

Dar cel mai important dintre toate, descoperirea și înțelegerea efectului fotoelectric au pus bazele câmpului mecanicii cuantice și o mai bună înțelegere a naturii luminii.

Există multe experimente care pot fi efectuate într-un laborator introductiv de fizică pentru a demonstra efectul fotoelectric. Unele dintre acestea sunt mai complicate decât altele.

Un experiment simplu demonstrează efectul fotoelectric cu un electroscop și o lampă UV-C care furnizează lumină ultravioletă. Așezați sarcina negativă pe electroscop, astfel încât acul să devieze. Apoi, luminează lampa UV-C. Lumina din lampă va elibera electronii din electroscop și îl va descărca. Vă puteți da seama că acest lucru se întâmplă văzând că devierea acului se reduce. Rețineți, totuși, că dacă ați încerca același experiment cu un electroscop încărcat pozitiv, nu ar funcționa.

Există multe alte modalități posibile de a experimenta efectul fotoelectric. Mai multe configurări implică o fotocelulă formată dintr-un anod mare care, atunci când este lovit cu lumina incidentă, va elibera electroni care sunt preluați de un catod. Dacă această configurare este conectată la un voltmetru, de exemplu, efectul fotoelectric va deveni evident atunci când strălucirea luminii creează o tensiune.

Setările mai complexe permit măsurători mai precise și vă permit chiar să determinați funcția de lucru și frecvențele pragului pentru diferite materiale. Consultați secțiunea Resurse pentru linkuri.