Fotoelektrický efekt: definícia, rovnica a experiment

Všetko, čo sa naučila klasická fyzika, sa obrátilo na hlavu, keď fyzici skúmali čoraz menšie sféry a objavovali kvantové efekty. Medzi prvý z týchto objavov patril fotoelektrický jav. Na začiatku 20. storočia sa výsledky tohto javu nezhodovali s klasickými predikciami a dali sa vysvetliť iba kvantovou teóriou, ktorá fyzikom otvorila úplne nový svet.

Dnes má fotoelektrický efekt tiež veľa praktických aplikácií. Od medicínskeho zobrazovania po výrobu čistej energie má objav a aplikácia tohto efektu dôsledky, ktoré idú nad rámec jednoduchého pochopenia vedy.

Keď svetlo alebo elektromagnetické žiarenie dopadne na materiál, napríklad na kovový povrch, tento materiál niekedy emituje elektróny, tzvfotoelektróny. Je to v podstate preto, lebo atómy v materiáli absorbujú žiarenie ako energiu. Elektróny v atómoch absorbujú žiarenie skokom na vyššiu energetickú hladinu. Ak je absorbovaná energia dostatočne vysoká, elektróny úplne opustia svoj domáci atóm.

Tento proces sa niekedy nazýva aj

Čo bolo na fotoelektrickom efekte najzvláštnejšie, bolo to, že sa neriadil klasickými predikciami. Spôsob, akým boli elektróny emitované, počet emitovaných elektrónov a ako sa to zmenilo s intenzitou svetla, to viedlo k tomu, že vedci si spočiatku škrabali hlavy.

Pôvodné predpovede týkajúce sa výsledkov fotoelektrického javu klasickej fyziky obsahovali nasledovné:

1. Prenosy energie z dopadajúceho žiarenia na elektróny. Predpokladalo sa, že akákoľvek energia dopadajúca na materiál bude priamo absorbovaná elektrónmi v atómoch, bez ohľadu na vlnovú dĺžku. Toto dáva zmysel v paradigme klasickej mechaniky: Čokoľvek, čo nalejete do vedra, toto vedro naplní.
2. Zmeny intenzity svetla by mali priniesť zmeny v kinetickej energii elektrónov. Ak sa predpokladá, že elektróny absorbujú všetko, čo na ne dopadá, potom by im rovnaké žiarenie malo zodpovedajúcim spôsobom dodávať viac energie. Len čo elektróny opustia hranice svojich atómov, táto energia sa uvidí vo forme kinetickej energie.
3. Svetlo veľmi nízkej intenzity by malo viesť k časovému oneskoreniu medzi absorpciou svetla a emisiou elektrónov. Bolo by to preto, že sa predpokladalo, že elektróny musia získať dostatok energie na to, aby opustili svoj domáci atóm, a svetlo s nízkou intenzitou je ako pridávať energiu do svojho energetického „vedra“ pomalšie. Plnenie trvá dlhšie, a preto by malo trvať dlhšie, kým elektróny budú mať dostatok energie na to, aby boli emitované.

Skutočné výsledky neboli vôbec v súlade s predpoveďami. To zahŕňalo:

1. Elektróny sa uvoľnili, až keď dopadajúce svetlo dosiahlo alebo prekročilo prahovú frekvenciu. Pod touto frekvenciou nedošlo k žiadnym emisiám. Nezáležalo na tom, či bola intenzita vysoká alebo nízka. Z nejakého dôvodu bola oveľa dôležitejšia frekvencia alebo vlnová dĺžka samotného svetla.
2. Zmeny intenzity nepriniesli zmeny v kinetickej energii elektrónov. Zmenili iba počet emitovaných elektrónov. Po dosiahnutí prahovej frekvencie zvýšenie intenzity nepridalo viac energie každému emitovanému elektrónu vôbec. Namiesto toho všetci skončili s rovnakou kinetickou energiou; bolo ich len viac.
3. Pri nízkych intenzitách nedošlo k časovému posunu. Zdalo sa, že nie je potrebný čas na „naplnenie energetického vedra“ ktoréhokoľvek daného elektrónu. Ak sa mal emitovať elektrón, bol emitovaný okamžite. Nižšia intenzita nemala žiadny vplyv na kinetickú energiu alebo čas oneskorenia; jednoducho to malo za následok menej emitovaných elektrónov.

Jediným spôsobom, ako vysvetliť tento jav, bolo vyvolanie kvantovej mechaniky. Svetelný lúč si nemysli ako vlnu, ale ako kolekciu diskrétnych vlnových balíkov nazývaných fotóny. Všetky fotóny majú odlišné energetické hodnoty, ktoré zodpovedajú frekvencii a vlnovej dĺžke svetla, čo sa vysvetľuje dualitou vlnových častíc.

Ďalej si uvedomte, že elektróny sú schopné skákať iba medzi diskrétnymi energetickými stavmi. Môžu mať iba konkrétne energetické hodnoty, ale nikdy nie hodnoty medzi nimi. Teraz je možné pozorované javy vysvetliť nasledovne:

1. Elektróny sa uvoľňujú iba vtedy, keď absorbujú veľmi špecifické dostatočné energetické hodnoty. Akýkoľvek elektrón, ktorý získa správny energetický balíček (energia fotónu), bude uvoľnený. Žiadne sa neuvoľní, ak je frekvencia dopadajúceho svetla príliš nízka bez ohľadu na intenzitu, pretože žiadny z energetických balíkov nie je dostatočne veľký.
2. Akonáhle je prahová frekvencia prekročená, zvyšujúca sa intenzita iba zvyšuje počet elektrónov uvoľnená a nie energia samotných elektrónov, pretože každý emitovaný elektrón absorbuje jeden diskrétny fotón. Väčšia intenzita znamená viac fotónov, a teda viac fotoelektrónov.
3. Ani pri nízkej intenzite nedochádza k časovému oneskoreniu, pokiaľ je frekvencia dostatočne vysoká, pretože akonáhle elektrón získa správny energetický balíček, uvoľní sa. Nízka intenzita vedie iba k menšiemu počtu elektrónov.

Jedným dôležitým konceptom súvisiacim s fotoelektrickým efektom je pracovná funkcia. Je to tiež známa ako energia viažuca elektróny. Je to minimálna energia potrebná na odstránenie elektrónu z pevnej látky.

Vzorec pre pracovnú funkciu je daný:

Kde-eje náboj elektrónov,ϕje elektrostatický potenciál vo vákuu v blízkosti povrchu aEje Fermiho hladina elektrónov v materiáli.

Elektrostatický potenciál sa meria vo voltoch a je mierou elektrickej potenciálnej energie na jednotku náboja. Preto prvý výraz vo výraze,-eϕ, je elektrická potenciálna energia elektrónu blízko povrchu materiálu.

Hladinu Fermiho možno považovať za energiu najvzdialenejšieho elektrónu, keď je atóm v základnom stave.

S pracovnou funkciou úzko súvisí prahová frekvencia. Toto je minimálna frekvencia, pri ktorej dopadajúce fotóny spôsobia emisiu elektrónov. Frekvencia priamo súvisí s energiou (vyššia frekvencia zodpovedá vyššej energii), preto sa musí dosiahnuť minimálna frekvencia.

Nad prahovou frekvenciou závisí kinetická energia elektrónov od frekvencie a nie od intenzity svetla. Energia jedného fotónu sa v podstate úplne prenesie do jedného elektrónu. Určité množstvo tejto energie sa použije na vysunutie elektrónu a zvyšok predstavuje jeho kinetická energia. Vyššia intenzita opäť znamená, že bude emitovaných viac elektrónov, nie to, že emitované elektróny budú mať viac energie.

Maximálnu kinetickú energiu emitovaných elektrónov nájdete pomocou nasledujúcej rovnice:

KdeK_maxje maximálna kinetická energia fotoelektrónu,hje Planckova konštanta = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,fje frekvencia svetla af₀je prahová frekvencia.

Objavenie fotoelektrického javu si môžete predstaviť v dvoch fázach. Po prvé, objavenie emisie fotoelektrónov z určitých materiálov v dôsledku dopadajúceho svetla, a po druhé, stanovenie že tento efekt vôbec neposlúcha klasickú fyziku, čo viedlo k mnohým dôležitým oporám nášho chápania kvanta mechanika.

Heinrich Hertz prvýkrát pozoroval fotoelektrický jav v roku 1887 pri pokusoch s generátorom iskier. Zostavenie zahŕňalo dva páry kovových gúľ. Iskry generované medzi prvou sadou gúľ by indukovali preskakovanie iskier medzi druhou sadou, a pôsobili by tak ako menič a prijímač. Hertz dokázal zvýšiť citlivosť nastavenia tak, že na ňu posvietil. Po rokoch J.J. Thompson zistil, že zvýšená citlivosť bola výsledkom svetla, ktoré spôsobilo vysunutie elektrónov.

Zatiaľ čo Hertzov asistent Phillip Lenard zistil, že intenzita neovplyvňuje kinetickú energiu fotoelektrónov, prahovú frekvenciu objavil Robert Millikan. Neskôr Einstein dokázal vysvetliť zvláštny jav predpokladom kvantovania energie.

Albert Einstein dostal v roku 1921 Nobelovu cenu za objav zákona fotoelektrika efekt a Millikan získal v roku 1923 Nobelovu cenu aj za prácu súvisiacu s porozumením fotoelektrika účinok.

Fotoelektrický efekt má veľa využití. Jedným z nich je, že umožňuje vedcom skúmať hladiny elektrónovej energie v hmote určením prahovej frekvencie, pri ktorej dopadajúce svetlo spôsobuje emisiu. Žiarovky fotonásobiča využívajúce tento efekt sa používali aj v starších televíznych kamerách.

Veľmi užitočné použitie fotoelektrického javu je pri konštrukcii solárnych panelov. Solárne panely sú zostavou fotovoltaických článkov, čo sú články, ktoré na výrobu prúdu využívajú elektróny vystrekované z kovov slnečným žiarením. Od roku 2018 sa takmer 3 percentá svetovej energie vyrábajú solárne panely, ale toto číslo je očakáva sa, že v priebehu nasledujúcich niekoľkých rokov výrazne vzrastie, najmä čo sa týka efektívnosti týchto panelov zvyšuje.

Ale najdôležitejšie zo všetkého je, že objav a pochopenie fotoelektrického javu položilo základy pre oblasť kvantovej mechaniky a lepšie pochopenie podstaty svetla.

Existuje veľa experimentov, ktoré možno vykonať v úvodnom laboratóriu fyziky na demonštráciu fotoelektrického javu. Niektoré z nich sú komplikovanejšie ako iné.

Jednoduchý experiment demonštruje fotoelektrický efekt pomocou elektroskopu a UV-C lampy poskytujúcej ultrafialové svetlo. Vložte negatívny náboj do elektroskopu tak, aby sa ihla vychýlila. Potom sviette lampou UV-C. Svetlo z lampy uvoľní elektróny z elektroskopu a vybije ho. Môžete to zistiť tak, že uvidíte, ako sa zmenšuje priehyb ihly. Upozorňujeme však, že ak by ste vyskúšali rovnaký experiment s kladne nabitým elektroskopom, nefungovalo by to.

Existuje mnoho ďalších spôsobov, ako experimentovať s fotoelektrickým efektom. Niektoré nastavenia zahŕňajú fotobunku pozostávajúcu z veľkej anódy, ktorá pri dopade dopadajúceho svetla uvoľní elektróny zachytené katódou. Ak je toto nastavenie pripojené napríklad k voltmetru, fotoelektrický efekt sa prejaví pri svietení svetla, ktoré vytvára napätie.

Zložitejšie nastavenia umožňujú presnejšie meranie a dokonca vám umožňujú určiť pracovnú funkciu a prahové frekvencie pre rôzne materiály. Odkazy nájdete v časti Zdroje.