Фотоелектрични ефекат: дефиниција, једначина и експеримент

Све што је научено у класичној физици било је окренуто, док су физичари истраживали све мања царства и откривали квантне ефекте. Међу првим од ових открића био је фотоелектрични ефекат. Почетком 1900-их, резултати овог ефекта нису се подударали са класичним предвиђањима и били су објашњиви само квантном теоријом, отварајући физичарима један сасвим нови свет.

Данас фотоелектрични ефекат има и многе практичне примене. Од медицинског снимања до производње чисте енергије, откриће и примена овог ефекта сада имају импликације које превазилазе просто разумевање науке.

Када светлост, или електромагнетно зрачење, погоди материјал као што је метална површина, тај материјал понекад емитује електроне, тзвфотоелектрони. То је у основи зато што атоми у материјалу апсорбују зрачење као енергију. Електрони у атомима апсорбују зрачење скоком на виши ниво енергије. Ако је апсорбована енергија довољно велика, електрони у потпуности напуштају свој матични атом.

Овај процес се понекад назива и

Оно што је код фотоелектричног ефекта било посебно, било је то што није следио класична предвиђања. Начин на који су емитовани електрони, број који је емитован и како се то мењало с интензитетом светлости оставили су научнике да се почешу по глави.

Првобитна предвиђања резултата фотоелектричног ефекта класичне физике обухватала су следеће:

1. Пренос енергије са упадног зрачења на електроне. Претпостављало се да ће било коју енергију која пада на материјал електрони у атомима апсорбовати директно, без обзира на таласну дужину. Ово има смисла у парадигми класичне механике: Шта год сипате у канту, канту напуни за ту количину.
2. Промене у интензитету светлости треба да доведу до промена у кинетичкој енергији електрона. Ако се претпостави да електрони апсорбују било какво зрачење које им пада, тада би им више истог зрачења требало да даје више енергије у складу с тим. Једном када су електрони напустили границе својих атома, та енергија се види у облику кинетичке енергије.
3. Светлост врло ниског интензитета треба да створи временски размак између апсорпције светлости и емисије електрона. То би било зато што се претпостављало да електрони морају стећи довољно енергије да напусте свој матични атом, а светлост ниског интензитета је као да спорије додаје енергију у своју „канту“. Пуњење је потребно дуже, па би требало да прође дуже времена пре него што електрони добију довољно енергије да се емитују.

Стварни резултати уопште нису били у складу са предвиђањима. Ово је укључивало следеће:

1. Електрони су пуштени само када је упадно светло достигло или премашило граничну фреквенцију. Није дошло до емисије испод те фреквенције. Није било важно да ли је интензитет висок или низак. Из неког разлога, фреквенција или таласна дужина саме светлости била је много важнија.
2. Промене у интензитету нису дале промене у кинетичкој енергији електрона. Променили су само број емитованих електрона. Једном када је достигнута гранична фреквенција, повећање интензитета уопште није додало више енергије сваком емитованом електрону. Уместо тога, сви су завршили са истом кинетичком енергијом; било их је само више.
3. Није било временског заостајања при малим интензитетима. Чинило се да није потребно време за „пуњење енергетске канте“ било ког датог електрона. Ако је требало емитовати електрон, он је емитован одмах. Нижи интензитет није имао утицаја на кинетичку енергију или време кашњења; једноставно је резултирало тиме да се емитује мање електрона.

Једини начин да се објасни овај феномен био је позивање на квантну механику. Замишљајте сноп светлости не као талас, већ као колекцију дискретних таласних пакета који се зову фотони. Сви фотони имају различите вредности енергије које одговарају фреквенцији и таласној дужини светлости, што се објашњава дуалношћу таласних честица.

Поред тога, узмите у обзир да су електрони способни само да скачу између дискретних енергетских стања. Могу имати само одређене енергетске вредности, али никада никакве вредности између. Сада се уочене појаве могу објаснити на следећи начин:

1. Електрони се ослобађају само када апсорбују врло специфичне довољне енергетске вредности. Сваки електрон који добије прави енергетски пакет (енергија фотона) биће ослобођен. Ниједна се не ослобађа ако је фреквенција упадне светлости прениска без обзира на интензитет, јер ниједан енергетски пакет није појединачно довољно велик.
2. Једном када је гранична фреквенција премашена, повећање интензитета само повећава број електрона ослобођена а не енергија самих електрона јер сваки емитовани електрон апсорбује један дискретни фотон. Већи интензитет значи више фотона, а тиме и више фотоелектрона.
3. Нема кашњења ни при ниском интензитету све док је фреквенција довољно висока, јер чим електрон добије одговарајући енергетски пакет, он се ослобађа. Низак интензитет резултира само са мање електрона.

Један важан концепт повезан са фотоелектричним ефектом је радна функција. Такође позната као енергија везивања електрона, то је минимална енергија потребна за уклањање електрона из чврсте супстанце.

Формула за радну функцију дата је:

Где-еје наелектрисање електрона,ϕје електростатички потенцијал у вакууму у близини површине иЕ.је Фермијев ниво електрона у материјалу.

Електростатички потенцијал мери се у волтима и представља меру електричне потенцијалне енергије по јединици наелектрисања. Отуда и први израз у изразу,-еϕ, је електрична потенцијална енергија електрона у близини површине материјала.

Фермијев ниво може се сматрати енергијом најудаљенијег електрона када је атом у основном стању.

Уско повезана са радном функцијом је гранична фреквенција. Ово је минимална фреквенција на којој ће инцидентни фотони изазвати емисију електрона. Фреквенција је директно повезана са енергијом (већа фреквенција одговара вишој енергији), отуда и зашто се мора постићи минимална фреквенција.

Изнад граничне фреквенције, кинетичка енергија електрона зависи од фреквенције, а не од интензитета светлости. У основи, енергија једног фотона ће се у потпуности пренети на један електрон. Одређена количина те енергије користи се за избацивање електрона, а остатак је његова кинетичка енергија. Опет, већи интензитет само значи да ће се емитовати више електрона, а не да ће емитовани имати више енергије.

Максимална кинетичка енергија емитованих електрона може се наћи помоћу следеће једначине:

ГдеК._максје максимална кинетичка енергија фотоелектрона,хје Планцкова константа = 6,62607004 × 10^-34 м²кг / с,фје фреквенција светлости иф₀је гранична фреквенција.

Откриће фотоелектричног ефекта можете замислити као дешавање у две фазе. Прво, откриће емисије фотоелектрона из одређених материјала као резултат упадне светлости, и друго, утврђивање да се овај ефекат уопште не покорава класичној физици, што је довело до многих важних основа нашег разумевања кванта механика.

Хајнрих Херц је први пут приметио фотоелектрични ефекат 1887. године док је изводио експерименте са генератором варница. Постављање је укључивало два пара металних сфера. Искре које се генеришу између првог скупа сфера подстакле би искрице да скачу између другог скупа, делујући тако као претварач и пријемник. Хертз је успео да повећа осетљивост поставке осветљавајући је. Годинама касније, Ј.Ј. Томпсон је открио да је повећана осетљивост резултат светлости због које су електрони избачени.

Док је Херцов помоћник Пхиллип Ленард утврдио да интензитет не утиче на кинетичку енергију фотоелектрона, Роберт Милликан је тај који је открио граничну фреквенцију. Касније је Ајнштајн успео да објасни чудан феномен претпостављајући квантизацију енергије.

Алберт Ајнштајн је 1921. године добио Нобелову награду за откриће закона фотоелектрике ефекта, а Милликан је 1923. добио Нобелову награду такође за рад у вези са разумевањем фотоелектрике ефекат.

Фотоелектрични ефекат има много употреба. Једна од њих је да омогућава научницима да истражују нивое електронске енергије у материји одређивањем граничне фреквенције на којој упадна светлост узрокује емисију. Фотомултипликаторске цеви које користе овај ефекат такође су коришћене у старијим телевизијским камерама.

Веома корисна примена фотоелектричног ефекта је у конструкцији соларних панела. Соларни панели су низови фотонапонских ћелија, које су ћелије које користе електроне избачене из метала сунчевим зрачењем за стварање струје. Од 2018. године скоро 3 процента светске енергије генеришу соларни панели, али овај број је очекује се да ће знатно порасти у наредних неколико година, посебно с обзиром на ефикасност таквих панела повећава.

Али најважније од свега, откриће и разумевање фотоелектричног ефекта поставило је темеље за поље квантне механике и боље разумевање природе светлости.

Постоје многи експерименти који се могу извести у уводној лабораторији за физику да би се демонстрирао фотоелектрични ефекат. Неки од њих су сложенији од других.

Једноставан експеримент показује фотоелектрични ефекат помоћу електроскопа и УВ-Ц лампе која пружа ултраљубичасто светло. Поставите негативни набој на електроскоп тако да се игла скрене. Затим засијајте УВ-Ц лампом. Светлост из лампе ће ослободити електроне из електроскопа и испразнити га. То можете да видите ако видите како се угиб игле смањује. Међутим, имајте на уму да ако покушате исти експеримент са позитивно наелектрисаним електроскопом, то неће успети.

Постоји много других могућих начина експериментисања са фотоелектричним ефектом. Неколико поставки укључује фотоћелију која се састоји од велике аноде која ће, када се погоди упадном светлошћу, ослободити електроне које покупи катода. Ако је ово подешавање спојено на волтметар, на пример, фотоелектрични ефекат ће постати очигледан када сијање светла ствара напон.

Сложенија подешавања омогућавају тачније мерење, чак вам омогућавају да одредите радну функцију и фреквенције прагова за различите материјале. Линкове потражите у одељку Ресурси.