Fotoelektrik Etki: Tanım, Denklem ve Deney

Klasik fizikte öğrenilen her şey, fizikçiler daha küçük alemleri araştırdıkça ve kuantum etkilerini keşfettikçe tepetaklak oldu. Bu keşiflerden ilki fotoelektrik etkiydi. 1900'lerin başında, bu etkinin sonuçları klasik tahminlerle uyuşmadı ve sadece kuantum teorisi ile açıklanabilirdi ve fizikçiler için yepyeni bir dünya açtı.

Günümüzde fotoelektrik etkinin birçok pratik uygulaması da vardır. Tıbbi görüntülemeden temiz enerji üretimine kadar, bu etkinin keşfi ve uygulanması, artık bilimi anlamanın ötesine geçen çıkarımlara sahiptir.

Işık veya elektromanyetik radyasyon, metal bir yüzey gibi bir malzemeye çarptığında, bu malzeme bazen elektronlar yayar.fotoelektronlar. Bunun temel nedeni, malzemedeki atomların radyasyonu enerji olarak emmesidir. Atomlardaki elektronlar, daha yüksek enerji seviyelerine atlayarak radyasyonu emer. Soğurulan enerji yeterince yüksekse, elektronlar ana atomlarını tamamen terk ederler.

Bu süreç bazen denirfotoemisyonçünkü gelen fotonlar (ışık parçacıklarının diğer adı) elektron emisyonunun doğrudan nedenidir. Elektronlar negatif bir yüke sahip olduklarından, yayınlandıkları metal plaka iyonize halde bırakılır.

Bununla birlikte, fotoelektrik etkiyle ilgili en özel olan şey, klasik tahminleri takip etmemesiydi. Elektronların yayılma şekli, yayılan sayı ve bunun ışığın yoğunluğuyla nasıl değiştiği, bilim adamlarının başlangıçta kafalarını kaşımalarına neden oldu.

Klasik fizikten yapılan fotoelektrik etkinin sonuçlarına ilişkin orijinal tahminler şunları içeriyordu:

1. Gelen radyasyondan elektronlara enerji transferi. Malzemeye gelen enerjinin, dalga boyundan bağımsız olarak, atomlardaki elektronlar tarafından doğrudan emileceği varsayılmıştır. Bu, klasik mekanik paradigmasında mantıklıdır: Kovaya ne dökerseniz, kovayı o miktarda doldurur.
2. Işık yoğunluğundaki değişiklikler elektronların kinetik enerjisinde değişikliklere yol açmalıdır. Elektronların üzerlerine gelen radyasyonu soğurdukları varsayılırsa, aynı radyasyondan daha fazlası onlara daha fazla enerji vermelidir. Elektronlar atomlarının sınırlarını terk ettikten sonra, bu enerji kinetik enerji şeklinde görülür.
3. Çok düşük yoğunluklu ışık, ışık absorpsiyonu ve elektron emisyonu arasında bir zaman gecikmesi vermelidir. Bunun nedeni, elektronların kendi atomlarından ayrılmak için yeterli enerjiyi kazanmaları gerektiği ve düşük yoğunluklu ışığın enerji "kovasına" daha yavaş enerji eklemek gibi olduğu varsayılmasıdır. Doldurulması daha uzun sürer ve bu nedenle elektronların yayılması için yeterli enerjiye sahip olması daha uzun sürer.

Gerçek sonuçlar tahminlerle hiç uyumlu değildi. Bu, aşağıdakileri içeriyordu:

1. Elektronlar, yalnızca gelen ışık bir eşik frekansına ulaştığında veya bu frekansı aştığında serbest bırakıldı. Bu frekansın altında emisyon oluşmadı. Yoğunluğun yüksek veya düşük olması önemli değildi. Bazı nedenlerden dolayı, ışığın frekansı veya dalga boyu çok daha önemliydi.
2. Yoğunluktaki değişiklikler elektronların kinetik enerjisinde değişiklik yaratmadı. Sadece yayılan elektronların sayısını değiştirdiler. Eşik frekansına ulaşıldığında, yoğunluğun arttırılması, yayılan her elektrona daha fazla enerji eklemedi. Bunun yerine, hepsi aynı kinetik enerjiye sahipti; sadece daha fazlası vardı.
3. Düşük yoğunluklarda zaman gecikmesi olmadı. Herhangi bir elektronun “enerji kovasını doldurmak” için gerekli bir zaman yok gibi görünüyordu. Bir elektron yayılacaksa, hemen yayınlandı. Düşük yoğunluğun kinetik enerji veya gecikme süresi üzerinde hiçbir etkisi yoktu; sadece daha az elektronun yayılmasına neden oldu.

Bu fenomeni açıklamanın tek yolu kuantum mekaniğine başvurmaktı. Bir ışık demetini bir dalga olarak değil, foton adı verilen ayrık dalga paketlerinin bir koleksiyonu olarak düşünün. Fotonların tümü, dalga-parçacık ikiliği ile açıklandığı gibi, ışığın frekansına ve dalga boyuna karşılık gelen farklı enerji değerlerine sahiptir.

Ek olarak, elektronların yalnızca ayrık enerji durumları arasında atlayabildiğini düşünün. Yalnızca belirli enerji değerlerine sahip olabilirler, ancak hiçbir zaman arada herhangi bir değere sahip olamazlar. Şimdi gözlemlenen fenomenler şu şekilde açıklanabilir:

1. Elektronlar ancak çok spesifik yeterli enerji değerlerini emdiklerinde salınırlar. Doğru enerji paketini (foton enerjisi) alan herhangi bir elektron serbest bırakılacaktır. Enerji paketlerinin hiçbiri ayrı ayrı yeterince büyük olmadığından, gelen ışığın frekansı yoğunluğa bakılmaksızın çok düşükse hiçbiri serbest bırakılmaz.
2. Eşik frekansı aşıldığında, artan yoğunluk sadece elektron sayısını arttırır. serbest bırakılır ve elektronların kendilerinin enerjisi değil, çünkü yayılan her elektron bir ayrık soğurur. foton. Daha fazla yoğunluk, daha fazla foton ve dolayısıyla daha fazla fotoelektron anlamına gelir.
3. Frekans yeterince yüksek olduğu sürece düşük yoğunlukta bile zaman gecikmesi olmaz çünkü bir elektron doğru enerji paketini alır almaz serbest bırakılır. Düşük yoğunluk sadece daha az elektronla sonuçlanır.

Fotoelektrik etki ile ilgili önemli bir kavram iş fonksiyonudur. Elektron bağlama enerjisi olarak da bilinir, bir elektronu bir katıdan çıkarmak için gereken minimum enerjidir.

İş fonksiyonunun formülü şu şekilde verilir:

Nerede-eelektron yüküdür,ϕyüzeyin yakınındaki vakumdaki elektrostatik potansiyeldir veEmalzemedeki elektronların Fermi seviyesidir.

Elektrostatik potansiyel volt cinsinden ölçülür ve birim yük başına elektrik potansiyel enerjisinin bir ölçüsüdür. Dolayısıyla ifadedeki ilk terim,-eϕ, malzemenin yüzeyine yakın bir elektronun elektrik potansiyel enerjisidir.

Fermi seviyesi, atom temel durumundayken en dıştaki elektronun enerjisi olarak düşünülebilir.

İş fonksiyonuyla yakından ilgili olan eşik frekansıdır. Bu, gelen fotonların elektron emisyonuna neden olacağı minimum frekanstır. Frekans doğrudan enerji ile ilgilidir (yüksek frekans daha yüksek enerjiye karşılık gelir), bu nedenle minimum frekansa ulaşılması gerekir.

Eşik frekansının üzerinde elektronların kinetik enerjisi ışığın yoğunluğuna değil frekansına bağlıdır. Temel olarak tek bir fotonun enerjisi tamamen tek bir elektrona aktarılacaktır. Bu enerjinin belirli bir miktarı elektronu çıkarmak için kullanılır ve geri kalanı elektronun kinetik enerjisidir. Yine, daha büyük bir yoğunluk, yayılanların daha fazla enerjiye sahip olacağı değil, daha fazla elektronun yayılacağı anlamına gelir.

Yayılan elektronların maksimum kinetik enerjisi aşağıdaki denklemle bulunabilir:

NeredeK_maksimumfotoelektronun maksimum kinetik enerjisidir,hPlanck sabiti = 6.62607004 ×10^-34 m²kg/sn,fışığın frekansı vef₀eşik frekansıdır.

Fotoelektrik etkinin keşfini iki aşamada gerçekleştiğini düşünebilirsiniz. Birincisi, gelen ışığın bir sonucu olarak belirli malzemelerden fotoelektron emisyonunun keşfi ve ikincisi, belirleme bu etkinin klasik fiziğe hiç uymadığını, bu da kuantum anlayışımızın birçok önemli temeline yol açtı. mekanik.

Heinrich Hertz ilk olarak 1887'de bir kıvılcım aralığı üreteci ile deneyler yaparken fotoelektrik etkiyi gözlemledi. Kurulum iki çift metal küre içeriyordu. Birinci küre grubu arasında üretilen kıvılcımlar, kıvılcımların ikinci grup arasında atlamasına neden olur, böylece dönüştürücü ve alıcı görevi görür. Hertz, üzerine ışık tutarak kurulumun hassasiyetini artırmayı başardı. Yıllar sonra J.J. Thompson, artan duyarlılığın elektronların fırlatılmasına neden olan ışıktan kaynaklandığını keşfetti.

Hertz'in asistanı Phillip Lenard, yoğunluğun fotoelektronların kinetik enerjisini etkilemediğini belirlerken, eşik frekansını keşfeden Robert Millikan'dı. Daha sonra Einstein, enerjinin kuantizasyonunu varsayarak garip fenomeni açıklayabildi.

Albert Einstein, fotoelektrik yasasını keşfettiği için 1921'de Nobel Ödülü'ne layık görüldü. Millikan 1923'te fotoelektriğin anlaşılmasıyla ilgili çalışmaları nedeniyle Nobel Ödülü'nü kazandı. etki.

Fotoelektrik etkinin birçok kullanımı vardır. Bunlardan biri, bilim adamlarının, gelen ışığın emisyona neden olduğu eşik frekansını belirleyerek maddedeki elektron enerji seviyelerini araştırmasına izin vermesidir. Bu etkiden yararlanan fotoçoğaltıcı tüpler daha eski televizyon kameralarında da kullanılıyordu.

Fotoelektrik etkinin çok faydalı bir uygulaması güneş panellerinin yapımındadır. Güneş panelleri, akım üretmek için güneş radyasyonu ile metallerden fırlatılan elektronları kullanan hücreler olan fotovoltaik hücre dizileridir. 2018 itibariyle, dünya enerjisinin yaklaşık yüzde 3'ü güneş panelleri tarafından üretiliyor, ancak bu sayı Özellikle bu tür panellerin verimliliği nedeniyle, önümüzdeki birkaç yıl içinde önemli ölçüde artması bekleniyor. artışlar.

Ama hepsinden önemlisi, fotoelektrik etkinin keşfi ve anlaşılması, kuantum mekaniği alanının ve ışığın doğasının daha iyi anlaşılması için zemin hazırladı.

Fotoelektrik etkiyi göstermek için bir giriş fizik laboratuarında yapılabilecek birçok deney vardır. Bunlardan bazıları diğerlerinden daha karmaşıktır.

Basit bir deney, bir elektroskop ve ultraviyole ışık sağlayan bir UV-C lambası ile fotoelektrik etkiyi gösterir. Negatif yükü, iğnenin sapması için elektroskop üzerine yerleştirin. Ardından UV-C lambasını parlatın. Lambadan gelen ışık, elektroskoptan elektronları serbest bırakacak ve onu boşaltacaktır. Bunun olduğunu, iğnenin sapmasının azaldığını görerek anlayabilirsiniz. Bununla birlikte, aynı deneyi pozitif yüklü bir elektroskopla denediyseniz, işe yaramayacağını unutmayın.

Fotoelektrik etkiyi denemenin başka birçok olası yolu vardır. Çeşitli kurulumlar, büyük bir anottan oluşan bir fotosel içerir; bu, gelen ışıkla çarpıldığında, bir katot tarafından toplanan elektronları serbest bırakır. Bu kurulum bir voltmetreye bağlanırsa, örneğin, ışık bir voltaj oluşturduğunda, fotoelektrik etki görünür hale gelecektir.

Daha karmaşık kurulumlar, daha doğru ölçüme olanak tanır ve hatta farklı malzemeler için çalışma işlevini ve eşik frekanslarını belirlemenize olanak tanır. Bağlantılar için Kaynaklar bölümüne bakın.