Фотоэлектрический эффект: определение, уравнение и эксперимент

Все, что было изучено в классической физике, было перевернуто с ног на голову, поскольку физики исследовали все меньшие области и открывали квантовые эффекты. Одним из первых открытий был фотоэлектрический эффект. В начале 1900-х годов результаты этого эффекта не соответствовали классическим предсказаниям и могли быть объяснены только с помощью квантовой теории, открывшей для физиков целый новый мир.

Сегодня фотоэлектрический эффект также имеет множество практических приложений. От медицинских изображений до производства чистой энергии открытие и применение этого эффекта теперь имеет последствия, выходящие далеко за рамки простого научного понимания.

Когда свет или электромагнитное излучение попадает на такой материал, как металлическая поверхность, этот материал иногда испускает электроны, называемыефотоэлектроны. Это в основном потому, что атомы в материале поглощают излучение как энергию. Электроны в атомах поглощают излучение, перескакивая на более высокие энергетические уровни. Если поглощенная энергия достаточно высока, электроны полностью покидают свой домашний атом.

Этот процесс иногда также называютфотоэмиссияпотому что падающие фотоны (другое название частиц света) являются прямой причиной испускания электронов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, металлическая пластина, из которой они были выпущены, остается ионизированной.

Однако самым особенным в фотоэффекте было то, что он не соответствовал классическим предсказаниям. То, как испускались электроны, количество испускаемых электронов и как это менялось с интенсивностью света - все это сначала заставило ученых почесать головы.

Первоначальные предсказания результатов фотоэлектрического эффекта, сделанные из классической физики, включали следующее:

1. Энергия передается от падающего излучения к электронам. Предполагалось, что энергия, падающая на материал, будет непосредственно поглощаться электронами в атомах независимо от длины волны. Это имеет смысл в парадигме классической механики: все, что вы наливаете в ведро, наполняет ведро на это количество.
2. Изменения интенсивности света должны приводить к изменению кинетической энергии электронов. Если предположить, что электроны поглощают любое падающее на них излучение, то большее количество того же излучения должно дать им больше энергии соответственно. Как только электроны покидают границы своих атомов, эта энергия проявляется в виде кинетической энергии.
3. Свет очень низкой интенсивности должен давать временную задержку между поглощением света и испусканием электронов. Это было бы потому, что предполагалось, что электроны должны набрать достаточно энергии, чтобы покинуть свой домашний атом, а свет низкой интенсивности подобен более медленному добавлению энергии в свое «ведро» энергии. Для заполнения требуется больше времени, и, следовательно, должно пройти больше времени, прежде чем электроны получат достаточно энергии для испускания.

Фактические результаты совершенно не соответствовали прогнозам. Это включало следующее:

1. Электроны высвобождались только тогда, когда падающий свет достигал или превышал пороговую частоту. Эмиссия ниже этой частоты не происходила. Не имело значения, была ли интенсивность высокой или низкой. По какой-то причине частота или длина волны самого света была гораздо важнее.
2. Изменение интенсивности не привело к изменению кинетической энергии электронов. Они изменили только количество испускаемых электронов. Как только пороговая частота была достигнута, увеличение интенсивности вообще не добавляло энергии каждому испускаемому электрону. Вместо этого все они получили одинаковую кинетическую энергию; их было просто больше.
3. При низких интенсивностях запаздывания по времени не было. Казалось, что не требуется времени, чтобы «заполнить ведро энергии» каким-либо электроном. Если электрон должен был быть испущен, он испускался немедленно. Более низкая интенсивность не влияла на кинетическую энергию или время задержки; это просто привело к меньшему количеству испускаемых электронов.

Единственный способ объяснить это явление - обратиться к квантовой механике. Думайте о луче света не как о волне, а как о совокупности дискретных волновых пакетов, называемых фотонами. Все фотоны имеют различные значения энергии, которые соответствуют частоте и длине волны света, что объясняется дуализмом волна-частица.

Кроме того, учтите, что электроны могут прыгать только между дискретными энергетическими состояниями. У них могут быть только определенные значения энергии, но не промежуточные. Теперь наблюдаемые явления можно объяснить следующим образом:

1. Электроны высвобождаются только тогда, когда они поглощают достаточно определенные значения энергии. Любой электрон, который получит правильный энергетический пакет (энергию фотона), будет выпущен. Ни один из них не высвобождается, если частота падающего света слишком мала, независимо от интенсивности, поскольку ни один из пакетов энергии по отдельности не является достаточно большим.
2. Как только пороговая частота превышена, увеличение интенсивности только увеличивает количество электронов. высвобождается, а не энергия самих электронов, потому что каждый испускаемый электрон поглощает один дискретный фотон. Более высокая интенсивность означает больше фотонов и, следовательно, больше фотоэлектронов.
3. Нет временной задержки даже при низкой интенсивности, пока частота достаточно высока, потому что, как только электрон получает правильный энергетический пакет, он высвобождается. Низкая интенсивность приводит только к меньшему количеству электронов.

Одним из важных понятий, связанных с фотоэффектом, является работа выхода. Также известная как энергия связи электрона, это минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из твердого тела.

Формула для работы выхода определяется следующим образом:

Где-e- заряд электрона,ϕ- электростатический потенциал в вакууме у поверхности иE- уровень Ферми электронов в материале.

Электростатический потенциал измеряется в вольтах и ​​является мерой электрической потенциальной энергии на единицу заряда. Следовательно, первый член в выражении,-eϕ, - электрическая потенциальная энергия электрона вблизи поверхности материала.

Уровень Ферми можно рассматривать как энергию внешнего электрона, когда атом находится в основном состоянии.

Пороговая частота тесно связана с работой выхода. Это минимальная частота, при которой падающие фотоны вызывают испускание электронов. Частота напрямую связана с энергией (более высокая частота соответствует более высокой энергии), поэтому должна быть достигнута минимальная частота.

Выше пороговой частоты кинетическая энергия электронов зависит от частоты, а не от интенсивности света. В основном энергия одного фотона будет полностью передана одному электрону. Определенное количество этой энергии используется для выброса электрона, а остальное - его кинетическая энергия. Опять же, большая интенсивность просто означает, что будет испускаться больше электронов, а не то, что эти испускаемые будут иметь больше энергии.

Максимальную кинетическую энергию испускаемых электронов можно найти с помощью следующего уравнения:

ГдеK_{Максимум}- максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона,часпостоянная Планка = 6,62607004 × 10^-34 м²кг / с,жэто частота света иж₀- пороговая частота.

Вы можете представить себе открытие фотоэлектрического эффекта в два этапа. Во-первых, открытие испускания фотоэлектронов из некоторых материалов в результате падающего света, а во-вторых, определение что этот эффект вообще не подчиняется классической физике, что привело ко многим важным основам нашего понимания квантовой физики. механика.

Генрих Герц впервые наблюдал фотоэлектрический эффект в 1887 году, проводя эксперименты с генератором искрового разрядника. В установке использовались две пары металлических сфер. Искры, генерируемые между первым набором сфер, будут вызывать скачки искр между вторым набором, таким образом действуя как преобразователь и приемник. Hertz смог повысить чувствительность установки, направив на нее свет. Спустя годы J.J. Томпсон обнаружил, что повышенная чувствительность возникла из-за того, что свет выбрасывал электроны.

В то время как помощник Герца Филип Ленард определил, что интенсивность не влияет на кинетическую энергию фотоэлектронов, именно Роберт Милликен открыл пороговую частоту. Позже Эйнштейн смог объяснить это странное явление, предположив квантование энергии.

Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии в 1921 году за открытие закона фотоэлектрической энергии. эффект, и Милликен получил Нобелевскую премию в 1923 году также за работы, связанные с пониманием фотоэлектрических эффект.

Фотоэлектрический эффект имеет множество применений. Одним из них является то, что он позволяет ученым исследовать уровни энергии электронов в веществе, определяя пороговую частоту, при которой падающий свет вызывает излучение. Фотоумножители, использующие этот эффект, также использовались в старых телевизионных камерах.

Очень полезное применение фотоэлектрического эффекта - создание солнечных панелей. Солнечные панели представляют собой массивы фотоэлектрических элементов, которые используют электроны, выбрасываемые из металлов солнечным излучением, для генерации тока. По состоянию на 2018 год почти 3 процента мировой энергии вырабатывается солнечными батареями, но это число ожидается, что в ближайшие несколько лет значительно вырастет, особенно с учетом того, что эффективность таких панелей увеличивается.

Но самое главное, открытие и понимание фотоэлектрического эффекта заложили основу для квантовой механики и лучшего понимания природы света.

Есть много экспериментов, которые можно провести в начальной лаборатории физики, чтобы продемонстрировать фотоэлектрический эффект. Некоторые из них сложнее других.

Простой эксперимент демонстрирует фотоэлектрический эффект с помощью электроскопа и лампы UV-C, излучающей ультрафиолетовый свет. Поместите отрицательный заряд на электроскоп так, чтобы игла отклонялась. Затем зажгите УФ-лампой. Свет лампы высвобождает электроны из электроскопа и разряжает его. Вы можете сказать, что это происходит, по уменьшению отклонения иглы. Однако обратите внимание, что если вы попробуете тот же эксперимент с положительно заряженным электроскопом, это не сработает.

Есть много других возможных способов поэкспериментировать с фотоэффектом. Некоторые установки включают фотоэлемент, состоящий из большого анода, который при попадании падающего света высвобождает электроны, которые улавливаются катодом. Если эта установка подключена, например, к вольтметру, фотоэлектрический эффект станет очевидным, когда свет создает напряжение.

Более сложные настройки позволяют проводить более точные измерения и даже определять работу выхода и пороговые частоты для различных материалов. См. Ссылки в разделе "Ресурсы".