Fotoelektrični učinek: opredelitev, enačba in eksperiment

Vse, kar smo se naučili v klasični fiziki, se je obrnilo na glavo, ko so fiziki raziskovali vedno manjša področja in odkrivali kvantne učinke. Med prvimi od teh odkritij je bil fotoelektrični učinek. V začetku 19. stoletja se rezultati tega učinka niso ujemali s klasičnimi napovedmi in so bili razložljivi le s kvantno teorijo, kar je fizikom odprlo povsem nov svet.

Danes ima fotoelektrični učinek tudi veliko praktičnih aplikacij. Od medicinskega slikanja do proizvodnje čiste energije ima odkritje in uporaba tega učinka posledice, ki presegajo zgolj razumevanje znanosti.

Ko svetloba ali elektromagnetno sevanje zadene material, kot je kovinska površina, ta material včasih oddaja elektrone, imenovanefotoelektroni. To je v bistvu zato, ker atomi v materialu absorbirajo sevanje kot energijo. Elektroni v atomih absorbirajo sevanje s skokom na višjo raven energije. Če je absorbirana energija dovolj velika, elektroni v celoti zapustijo svoj domači atom.

Ta postopek se včasih imenuje tudi

Najbolj posebno pri fotoelektričnem učinku pa je bilo, da ni sledil klasičnim napovedim. Način oddajanja elektronov, njihovo število in kako se je to spreminjalo z jakostjo svetlobe so vsi znanstveniki pustili, da so se sprva praskali po glavah.

Prvotne napovedi o rezultatih fotoelektričnega učinka iz klasične fizike so vključevale naslednje:

1. Prenosi energije iz vpadnega sevanja na elektrone. Predpostavljalo se je, da ne glede na valovno dolžino elektroni, ki vstopajo v material, neposredno absorbirajo elektroni v atomih. To je smiselno v klasični mehanični paradigmi: Karkoli vliješ v vedro, napolni vedro za toliko.
2. Spremembe jakosti svetlobe bi morale povzročiti spremembe v kinetični energiji elektronov. Če se domneva, da elektroni absorbirajo kakršno koli sevanje, ki bi jim naletelo, jim mora več tega sevanja temu primerno dati več energije. Ko elektroni zapustijo meje svojih atomov, se ta energija vidi v obliki kinetične energije.
3. Svetloba zelo nizke intenzivnosti bi morala ustvariti časovni zamik med absorpcijo svetlobe in oddajanjem elektronov. To bi bilo zato, ker se je domnevalo, da morajo elektroni pridobiti dovolj energije, da zapustijo svoj domači atom, in nizkointenzivna svetloba je kot počasnejše dodajanje energije v njihovo "vedro" energije. Polnjenje traja dlje, zato bi moralo trajati dlje, preden imajo elektroni dovolj energije za oddajanje.

Dejanski rezultati sploh niso bili v skladu z napovedmi. To je vključevalo naslednje:

1. Elektroni so bili sproščeni šele, ko je vpadna svetloba dosegla ali presegla pragovno frekvenco. Pod to frekvenco ni prišlo do emisije. Vseeno je bilo, ali je intenzivnost visoka ali nizka. Iz neznanega razloga je bila veliko pomembnejša frekvenca ali valovna dolžina same svetlobe.
2. Spremembe v jakosti niso povzročile sprememb v kinetični energiji elektronov. Spremenili so le število oddanih elektronov. Ko je bila pražna frekvenca dosežena, povečanje intenzivnosti sploh ni dodalo več energije vsakemu oddanemu elektronu. Namesto tega so vsi končali z enako kinetično energijo; bilo jih je le več.
3. Pri nizki intenzivnosti ni bilo časovnega zamika. Zdi se, da ni potreben čas za "polnjenje vedra energije" katerega koli elektrona. Če naj bi bil izpuščen elektron, je bil izpuščen takoj. Manjša intenzivnost ni vplivala na kinetično energijo ali čas zaostanka; preprosto je povzročilo, da je bilo oddanih manj elektronov.

Edini način za razlago tega pojava je bil sklicevanje na kvantno mehaniko. Na žarek svetlobe ne mislite kot na val, temveč kot na zbirko diskretnih valovnih paketov, imenovanih fotoni. Vsi fotoni imajo različne energijske vrednosti, ki ustrezajo frekvenci in valovni dolžini svetlobe, kot je razloženo z dvojnostjo valovnih delcev.

Poleg tega upoštevajte, da lahko elektroni preskakujejo le diskretna energetska stanja. Lahko imajo le določene energijske vrednosti, vmes pa nikoli nobene vrednosti. Zdaj lahko opažene pojave razložimo na naslednji način:

1. Elektroni se sprostijo šele, ko absorbirajo zelo specifične zadostne energijske vrednosti. Vsak elektron, ki dobi pravi energetski paket (energija fotonov), se sprosti. Nobena se ne sprosti, če je frekvenca vpadne svetlobe prenizka ne glede na jakost, ker noben energetski paket ni posamično dovolj velik.
2. Ko je pražna frekvenca presežena, naraščajoča jakost samo poveča število elektronov sproščena in ne energija samih elektronov, ker vsak oddani elektron absorbira eno diskretno foton. Večja jakost pomeni več fotonov in s tem več fotoelektronov.
3. Tudi pri nizki intenzivnosti ni časovne zakasnitve, če je frekvenca dovolj visoka, ker takoj, ko elektron dobi pravi energetski paket, se sprosti. Nizka intenzivnost povzroči le manj elektronov.

Pomemben koncept, povezan s fotoelektričnim učinkom, je delovna funkcija. Tudi energija, ki veže elektrone, je najmanjša energija, potrebna za odstranitev elektrona iz trdne snovi.

Formula za delovno funkcijo je podana z:

Kje-eje naboj elektrona,ϕje elektrostatični potencial v vakuumu v bližini površine inEje Fermijev nivo elektronov v materialu.

Elektrostatični potencial se meri v voltih in je merilo električne potencialne energije na enoto naboja. Od tod prvi izraz v izrazu,-eϕ, je električna potencialna energija elektrona v bližini površine materiala.

Fermijevo raven lahko razumemo kot energijo najbolj oddaljenega elektrona, ko je atom v osnovnem stanju.

Prag frekvence je tesno povezan z delovno funkcijo. To je najmanjša frekvenca, pri kateri bodo vpadni fotoni povzročili oddajanje elektronov. Frekvenca je neposredno povezana z energijo (višja frekvenca ustreza višji energiji), zato je treba doseči minimalno frekvenco.

Nad pragovno frekvenco je kinetična energija elektronov odvisna od frekvence in ne od jakosti svetlobe. V bistvu se bo energija enega fotona v celoti prenesla na en sam elektron. Določena količina te energije se porabi za izmet elektrona, preostanek pa je njegova kinetična energija. Ponovno večja intenzivnost samo pomeni, da bo oddanih več elektronov, ne pa, da bodo oddani imeli več energije.

Največjo kinetično energijo oddanih elektronov lahko najdemo z naslednjo enačbo:

KjeK_maksnajvečja kinetična energija fotoelektrona,hje Planckova konstanta = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,fje frekvenca svetlobe inf₀je mejna frekvenca.

Odkritje fotoelektričnega učinka si lahko predstavljate v dveh fazah. Prvič, odkritje emisije fotoelektronov iz nekaterih materialov kot posledica padajoče svetlobe, in drugič, določitev da ta učinek sploh ne uboga klasične fizike, kar je privedlo do številnih pomembnih podlag našega razumevanja kvanta mehanika.

Heinrich Hertz je fotoelektrični učinek prvič opazil leta 1887 med izvajanjem poskusov z generatorjem isker. Namestitev je vključevala dva para kovinskih krogel. Iskre, ki nastanejo med prvim nizom krogel, bi povzročile, da bi iskre iskale med drugim nizom in tako delovale kot pretvornik in sprejemnik. Hertz je lahko povečal občutljivost nastavitve tako, da jo je osvetlil. Leta kasneje je J.J. Thompson je odkril, da je povečana občutljivost posledica svetlobe, ki povzroča izmet elektronov.

Medtem ko je Hertzov pomočnik Phillip Lenard ugotovil, da jakost ne vpliva na kinetično energijo fotoelektronov, je Robert Millikan tisti, ki je odkril mejno frekvenco. Kasneje je Einstein lahko razložil nenavaden pojav s predpostavko kvantizacije energije.

Albert Einstein je leta 1921 prejel Nobelovo nagrado za odkritje zakona fotoelektrike Millikan je leta 1923 dobil Nobelovo nagrado tudi za delo v zvezi z razumevanjem fotoelektrike učinek.

Fotoelektrični učinek ima več uporab. Eden takšnih je, da znanstvenikom omogoča, da preiskujejo nivo elektronske energije v snovi z določitvijo mejne frekvence, pri kateri vpadna svetloba povzroča emisijo. Fotomultiplikatorji, ki uporabljajo ta učinek, so bili uporabljeni tudi v starejših televizijskih kamerah.

Zelo koristna uporaba fotoelektričnega učinka je pri gradnji sončnih kolektorjev. Sončne celice so nizi fotonapetostnih celic, ki so celice, ki za ustvarjanje toka uporabljajo elektrone, ki jih sonce seva iz kovin. Od leta 2018 skoraj 3 odstotke svetovne energije ustvarjajo sončni kolektorji, vendar je to število pričakuje, da se bo v naslednjih nekaj letih znatno povečal, zlasti zaradi učinkovitosti takih plošč povečuje.

Najpomembneje pa je, da so odkritje in razumevanje fotoelektričnega učinka postavili temelje za področje kvantne mehanike in boljše razumevanje narave svetlobe.

Obstaja veliko eksperimentov, ki jih je mogoče izvesti v uvodnem laboratoriju za fiziko, da dokažejo fotoelektrični učinek. Nekateri so bolj zapleteni kot drugi.

Preprost eksperiment dokaže fotoelektrični učinek z elektroskopom in UV-C žarnico, ki zagotavlja ultravijolično svetlobo. Na elektroskop položite negativni naboj, da se igla odkloni. Nato prižgite UV-C žarnico. Svetloba iz svetilke bo sprostila elektrone iz elektroskopa in jo izpraznila. To lahko ugotovite tako, da opazite zmanjšanje odklona igle. Upoštevajte pa, da če bi poskusili isti poskus s pozitivno nabitim elektroskopom, ne bi šlo.

Obstaja veliko drugih možnih načinov za eksperimentiranje s fotoelektričnim učinkom. Več nastavitev vključuje fotocelico, sestavljeno iz velike anode, ki ob udarcu z vpadno svetlobo sprosti elektrone, ki jih pobere katoda. Če je ta nastavitev na primer priključena na voltmeter, bo fotoelektrični učinek očiten, ko svetloba ustvari napetost.

Bolj zapletene nastavitve omogočajo natančnejše meritve in celo omogočajo določanje delovne funkcije in frekvence praga za različne materiale. Za povezave glejte razdelek Viri.