Fotoelektrisk effekt: definition, ekvation och experiment

Allt som man lärde sig i klassisk fysik vände på huvudet när fysiker utforskade allt mindre världar och upptäckte kvanteffekter. Bland de första av dessa upptäckter var den fotoelektriska effekten. I början av 1900-talet misslyckades resultaten med denna effekt med klassiska förutsägelser och var bara förklarbara med kvantteorin, vilket öppnade en helt ny värld för fysiker.

Idag har den fotoelektriska effekten också många praktiska tillämpningar. Från medicinsk bildbehandling till produktion av ren energi har upptäckten och tillämpningen av denna effekt nu konsekvenser som går långt utöver att bara förstå vetenskapen.

När ljus eller elektromagnetisk strålning träffar ett material som en metallyta avger det materialet ibland elektroner,fotoelektroner. Detta beror huvudsakligen på att atomerna i materialet absorberar strålningen som energi. Elektroner i atomer absorberar strålning genom att hoppa till högre energinivåer. Om den absorberade energin är tillräckligt hög lämnar elektronerna helt sin hematom.

Denna process kallas ibland ocksåfotoemissioneftersom infallande fotoner (ett annat namn för partiklar av ljus) är den direkta orsaken till utsläpp av elektroner. Eftersom elektroner har en negativ laddning lämnas metallplattan från vilken de emitterades joniserad.

Det som var mest speciellt med den fotoelektriska effekten var dock att den inte följde klassiska förutsägelser. Det sätt på vilket elektronerna sändes ut, antalet som sändes ut och hur detta förändrades med ljusintensitet lämnade alla vetenskapsmän som började skrapa huvudet.

De ursprungliga förutsägelserna om resultaten av den fotoelektriska effekten från klassisk fysik inkluderade följande:

1. Energiöverföringar från infallande strålning till elektronerna. Det antogs att oavsett energi som inträffar på materialet skulle absorberas direkt av elektronerna i atomerna, oavsett våglängd. Detta är vettigt i det klassiska mekanikparadigmet: Vad du än häller i hinken fyller skopan med den mängden.
2. Förändringar i ljusintensitet bör ge förändringar i elektronernas kinetiska energi. Om det antas att elektroner absorberar vilken strålning som helst som inträffar på dem, bör mer av samma strålning ge dem mer energi därefter. När elektronerna har lämnat sina atoms gränser ses den energin i form av kinetisk energi.
3. Mycket lågintensivt ljus bör ge en tidsfördröjning mellan ljusabsorption och emission av elektroner. Detta beror på att det antogs att elektroner måste få tillräckligt med energi för att lämna sin hematom, och ljus med låg intensitet är som att lägga energi till sin energi "hink" långsammare. Det tar längre tid att fylla, och därför bör det ta längre tid innan elektronerna har tillräckligt med energi för att släppas ut.

De faktiska resultaten överensstämde inte alls med förutsägelserna. Detta inkluderade följande:

1. Elektroner släpptes först när infallsljuset nådde eller överskred en tröskelfrekvens. Ingen utsläpp inträffade under den frekvensen. Det spelade ingen roll om intensiteten var hög eller låg. Av någon anledning var frekvensen eller våglängden för själva ljuset mycket viktigare.
2. Förändringar i intensitet gav inte förändringar i elektroners kinetiska energi. De ändrade bara antalet elektroner som släpptes ut. När tröskelfrekvensen var uppnådd ökade intensiteten inte mer energi till varje utsänd elektron alls. Istället slutade de alla med samma kinetiska energi; det var bara fler av dem.
3. Det fanns ingen tidsfördröjning vid låga intensiteter. Det verkade inte finnas någon tid som krävs för att "fylla energiskopan" för en viss elektron. Om en elektron skulle sändas ut sändes den omedelbart. Lägre intensitet hade ingen effekt på kinetisk energi eller fördröjningstid; det resulterade helt enkelt i att färre elektroner släpptes ut.

Det enda sättet att förklara detta fenomen var att åberopa kvantmekanik. Tänk på en ljusstråle inte som en våg utan som en samling diskreta vågpaket som kallas fotoner. Fotonerna har alla distinkta energivärden som motsvarar ljusets frekvens och våglängd, vilket förklaras av vågpartikel dualitet.

Tänk också på att elektronerna bara kan hoppa mellan diskreta energitillstånd. De kan bara ha specifika energivärden, men aldrig några värden däremellan. Nu kan de observerade fenomenen förklaras enligt följande:

1. Elektroner frigörs endast när de absorberar mycket specifika tillräckliga energivärden. Alla elektroner som får rätt energipaket (fotonenergi) släpps. Ingen släpps om frekvensen för infallande ljus är för låg oavsett intensitet eftersom inget av energipaketet är individuellt tillräckligt stora.
2. När tröskelfrekvensen har överskridits ökar ökande intensitet bara antalet elektroner frigörs och inte själva elektronernas energi eftersom varje utsänd elektron absorberar en diskret foton. Större intensitet betyder fler fotoner och därmed fler fotoelektroner.
3. Det finns ingen tidsfördröjning även vid låg intensitet så länge frekvensen är tillräckligt hög för så snart en elektron får rätt energipaket, släpps den. Låg intensitet resulterar bara i färre elektroner.

Ett viktigt koncept relaterat till den fotoelektriska effekten är arbetsfunktionen. Även känd som elektronbindande energi är det den minsta energi som behövs för att avlägsna en elektron från ett fast ämne.

Formeln för arbetsfunktionen ges av:

Var-eär elektronladdningen,ϕär den elektrostatiska potentialen i vakuumet i närheten av ytan ochEär Fermi-nivån av elektroner i materialet.

Elektrostatisk potential mäts i volt och är ett mått på den elektriska potentialenergin per laddningsenhet. Därav den första termen i uttrycket,-eϕ, är den elektriska potentiella energin hos en elektron nära materialets yta.

Fermi-nivån kan betraktas som energin i den yttersta elektronen när atomen är i sitt jordtillstånd.

Nära relaterad till arbetsfunktionen är tröskelfrekvensen. Detta är den minsta frekvens vid vilken infallande fotoner kommer att orsaka utsläpp av elektroner. Frekvens är direkt relaterad till energi (högre frekvens motsvarar högre energi), varför en minsta frekvens måste uppnås.

Över tröskelfrekvensen beror elektronernas kinetiska energi på frekvensen och inte ljusets intensitet. I grund och botten kommer energin från en enda foton att överföras helt till en enda elektron. En viss mängd av den energin används för att mata ut elektronen, och resten är dess kinetiska energi. Återigen betyder en större intensitet bara att fler elektroner kommer att släppas ut, inte att de som släpps ut kommer att ha mer energi.

Den maximala kinetiska energin för emitterade elektroner kan hittas via följande ekvation:

VarK_maxär den maximala kinetiska energin hos fotoelektronen,här Plancks konstant = 6,62607004 × 10^-34 m²kg / s,fär ljusets frekvens ochf₀är tröskelfrekvensen.

Du kan tänka på upptäckten av den fotoelektriska effekten som sker i två steg. För det första upptäckten av utsläpp av fotoelektroner från vissa material som ett resultat av infallande ljus, och för det andra bestämningen att denna effekt inte lyder klassisk fysik alls, vilket ledde till många viktiga underlag för vår förståelse av kvantitet mekanik.

Heinrich Hertz observerade först den fotoelektriska effekten 1887 medan han utförde experiment med en gnistgapgenerator. Installationen involverade två par metallkulor. Gnistor som genereras mellan den första uppsättningen sfärer skulle få gnistor att hoppa mellan den andra uppsättningen och därmed fungera som givare och mottagare. Hertz kunde öka känsligheten i installationen genom att skina ljus på den. År senare, J.J. Thompson upptäckte att den ökade känsligheten berodde på att ljuset fick elektronerna att matas ut.

Medan Hertz assistent Phillip Lenard bestämde att intensiteten inte påverkade fotoelektronernas kinetiska energi, var det Robert Millikan som upptäckte tröskelfrekvensen. Senare kunde Einstein förklara det konstiga fenomenet genom att anta kvantisering av energi.

Albert Einstein tilldelades Nobelpriset 1921 för sin upptäckt av fotoelektriska lagen effekt, och Millikan vann Nobelpriset 1923 också för arbete relaterat till att förstå det fotoelektriska effekt.

Den fotoelektriska effekten har många användningsområden. En av dessa är att det tillåter forskare att undersöka elektronenerginivåerna i materia genom att bestämma tröskelfrekvensen vid vilken infallande ljus orsakar utsläpp. Fotomultiplikatorrör som använder denna effekt användes också i äldre TV-kameror.

En mycket användbar tillämpning av den fotoelektriska effekten är i konstruktionen av solpaneler. Solpaneler är matriser av solceller, som är celler som använder elektroner som matas ut från metaller genom solstrålning för att generera ström. Från och med 2018 genereras nästan 3 procent av världens energi av solpaneler, men detta är det förväntas växa avsevärt under de närmaste åren, särskilt på grund av effektiviteten hos sådana paneler ökar.

Men viktigast av allt, upptäckten och förståelsen av den fotoelektriska effekten lade grunden för kvantmekanikens område och en bättre förståelse för ljusets natur.

Det finns många experiment som kan utföras i ett inledande fysiklaboratorium för att visa den fotoelektriska effekten. Några av dessa är mer komplicerade än andra.

Ett enkelt experiment visar den fotoelektriska effekten med ett elektroskop och en UV-C-lampa som ger ultraviolett ljus. Placera negativ laddning på elektroskopet så att nålen avböjs. Lys sedan UV-C-lampan. Ljus från lampan frigör elektroner från elektroskopet och urladdar det. Du kan se att detta händer genom att se nålens avböjning minska. Observera dock att om du försökte samma experiment med ett positivt laddat elektroskop skulle det inte fungera.

Det finns många andra möjliga sätt att experimentera med den fotoelektriska effekten. Flera inställningar involverar en fotocell bestående av en stor anod som, när den träffas med infallande ljus, kommer att frigöra elektroner som plockas upp av en katod. Om den här inställningen är ansluten till en voltmeter, till exempel, kommer den fotoelektriska effekten att bli uppenbar när lysande ljus skapar en spänning.

Mer komplexa inställningar möjliggör mer exakt mätning och till och med låter dig bestämma arbetsfunktionen och tröskelfrekvenser för olika material. Se avsnittet Resurser för länkar.