Фотоефект: визначення, рівняння та експеримент

Все, що вивчалося в класичній фізиці, було перевернуто, коли фізики досліджували дедалі менші сфери та виявляли квантові ефекти. Серед перших з цих відкриттів був фотоефект. На початку 1900-х років результати цього ефекту не збігалися з класичними прогнозами, і їх можна було пояснити лише квантовою теорією, відкривши для фізиків цілий новий світ.

Сьогодні фотоелектричний ефект також має багато практичних застосувань. Від медичної візуалізації до виробництва чистої енергії, відкриття та застосування цього ефекту зараз має наслідки, які виходять за рамки простого розуміння науки.

Коли світло або електромагнітне випромінювання потрапляє на такий матеріал, як металева поверхня, цей матеріал іноді випромінює електрони, що називаютьсяфотоелектрони. Це по суті тому, що атоми в матеріалі поглинають випромінювання як енергію. Електрони в атомах поглинають випромінювання, перескакуючи на більш високий рівень енергії. Якщо енергія, що поглинається, досить висока, електрони повністю залишають свій рідний атом.

Цей процес іноді також називаютьфотоемісіяоскільки падаючі фотони (інша назва частинок світла) є безпосередньою причиною випромінювання електронів. Оскільки електрони мають негативний заряд, металева пластинка, з якої вони випромінювались, залишається іонізованою.

Найбільш особливим у фотоефекті було те, що він не слідував класичним прогнозам. Спосіб випромінювання електронів, кількість випромінюваних і те, як це змінювалося з інтенсивністю світла, залишили вчених почесати голови спочатку.

Оригінальні прогнози щодо результатів фотоефекту, зроблені з класичної фізики, включали наступне:

1. Передача енергії від падаючого випромінювання на електрони. Передбачалося, що будь-яка енергія, яка падає на матеріал, буде безпосередньо поглинатися електронами в атомах, незалежно від довжини хвилі. Це має сенс у парадигмі класичної механіки: все, що ви наливаєте у відро, наповнює це відро на цю кількість.
2. Зміни інтенсивності світла повинні призвести до змін кінетичної енергії електронів. Якщо вважається, що електрони поглинають будь-яке випромінювання, яке на них падає, то більша частина того самого випромінювання повинна дати їм більше енергії відповідно. Після того, як електрони покинуть межі своїх атомів, ця енергія розглядається у вигляді кінетичної енергії.
3. Світло дуже низької інтенсивності повинно давати затримку між поглинанням світла та випромінюванням електронів. Це було б тому, що передбачалося, що електрони повинні набрати достатньо енергії, щоб покинути свій домашній атом, а світло низької інтенсивності - це все одно, що повільніше додавати енергію до свого “відра” енергії. Заповнення займає більше часу, а отже, і часу, перш ніж електронам вистачить енергії для випромінювання, має зайняти більше часу.

Фактичні результати зовсім не відповідали прогнозам. Сюди входило таке:

1. Електрони випускалися лише тоді, коли падаюче світло досягало або перевищувало порогову частоту. Викидів нижче цієї частоти не відбулося. Неважливо, висока чи низька інтенсивність. З якоїсь причини частота або довжина хвилі самого світла була набагато важливішою.
2. Зміни інтенсивності не призвели до змін кінетичної енергії електронів. Вони змінили лише кількість випромінюваних електронів. Як тільки досягнуто порогової частоти, збільшення інтенсивності взагалі не додає більше енергії до кожного випроміненого електрона. Натомість усі вони опинились з однаковою кінетичною енергією; їх було просто більше.
3. Затримки часу при низькій інтенсивності не було. Здавалося, не потрібно часу, щоб «заповнити енергетичне відро» будь-якого даного електрона. Якщо електрон повинен був випромінюватися, він випромінювався негайно. Менша інтенсивність не впливала на кінетичну енергію чи час затримки; це просто призвело до меншої кількості випромінюваних електронів.

Єдиним способом пояснити це явище було залучення квантової механіки. Подумайте про пучок світла не як про хвилю, а як про сукупність дискретних хвильових пакетів, які називаються фотонами. Всі фотони мають різні енергетичні значення, які відповідають частоті та довжині хвилі світла, що пояснюється подвійністю хвильових частинок.

Крім того, враховуйте, що електрони здатні стрибати лише між дискретними енергетичними станами. Вони можуть мати лише певні енергетичні цінності, але ніколи між ними. Тепер спостережувані явища можна пояснити наступним чином:

1. Електрони вивільняються лише тоді, коли вони поглинають дуже конкретні достатні енергетичні значення. Буде звільнений будь-який електрон, який отримає потрібний енергетичний пакет (енергія фотонів). Жодне не вивільняється, якщо частота падаючого світла занадто низька незалежно від інтенсивності, оскільки жоден енергетичний пакет не є досить великим.
2. Після перевищення порогової частоти збільшення інтенсивності лише збільшує кількість електронів вивільняється, а не енергія самих електронів, оскільки кожен випромінюваний електрон поглинає один дискретний фотон. Більша інтенсивність означає більше фотонів, а отже, і більше фотоелектронів.
3. Немає затримки за часом навіть при низькій інтенсивності, поки частота досить висока, оскільки як тільки електрон отримує потрібний енергетичний пакет, він звільняється. Низька інтенсивність призводить до зменшення кількості електронів.

Однією з важливих концепцій, пов’язаних з фотоефектом, є робоча функція. Також відома як електрон-зв’язуюча енергія, це мінімальна енергія, необхідна для видалення електрона з твердого тіла.

Формула робочої функції подана за формулою:

Де-е- заряд електрона,ϕ- електростатичний потенціал у вакуумі поблизу поверхні іЕ- рівень Фермі електронів у матеріалі.

Електростатичний потенціал вимірюється у вольтах і є мірою електричної потенціальної енергії на одиницю заряду. Звідси перший член у виразі,-eϕ, - електрична потенціальна енергія електрона поблизу поверхні матеріалу.

Рівень Фермі можна сприймати як енергію самого зовнішнього електрона, коли атом знаходиться в основному стані.

З робочою функцією тісно пов'язана порогова частота. Це мінімальна частота, при якій падаючі фотони спричинять випромінювання електронів. Частота безпосередньо пов'язана з енергією (більш висока частота відповідає вищій енергії), отже, чому повинна бути досягнута мінімальна частота.

Вища порогової частоти кінетична енергія електронів залежить від частоти, а не від інтенсивності світла. В основному енергія одного фотона буде повністю передана одному електрону. Певна кількість цієї енергії використовується для викидання електрона, а решта - це його кінетична енергія. Знову ж таки, більша інтенсивність просто означає, що буде випромінюватися більше електронів, а не те, що випромінювані матимуть більше енергії.

Максимальну кінетичну енергію випромінюваних електронів можна знайти за таким рівнянням:

ДеК_макс- максимальна кінетична енергія фотоелектрона,h- постійна Планка = 6,62607004 × 10^-34 м²кг / с,f- частота світла іf₀- порогова частота.

Ви можете думати про відкриття фотоефекту як про те, що відбувається в два етапи. По-перше, відкриття випромінювання фотоелектронів з певних матеріалів в результаті падаючого світла, а по-друге, визначення що цей ефект взагалі не підпорядковується класичній фізиці, що призвело до багатьох важливих підстав нашого розуміння кванту механіка.

Вперше Генріх Герц спостерігав фотоефект у 1887 році, виконуючи експерименти з генератором іскрового зазору. В установці брали участь дві пари металевих кульок. Іскри, що генеруються між першим набором сфер, змусять іскри стрибати між другим набором, виконуючи таким чином функцію перетворювача та приймача. Герц зміг підвищити чутливість установки, просвічуючи її. Через роки Дж. Дж. Томпсон виявив, що підвищена чутливість виникає внаслідок світла, що призводить до викиду електронів.

Поки помічник Герца Філіп Ленард визначив, що інтенсивність не впливає на кінетичну енергію фотоелектронів, поріг частоти виявив Роберт Міллікан. Пізніше Ейнштейн зміг пояснити дивне явище, припустивши квантування енергії.

Альберт Ейнштейн був нагороджений Нобелівською премією в 1921 році за відкриття закону фотоелектрики ефекту, і Міллікан отримав Нобелівську премію в 1923 році також за роботу, пов'язану з розумінням фотоелектрика ефект.

Фотоелектричний ефект має багато застосувань. Одне з них полягає в тому, що він дозволяє вченим досліджувати рівні енергії електронів у речовині, визначаючи порогову частоту, при якій падаюче світло викликає випромінювання. Фотопомножувачі, що використовують цей ефект, також використовувались у старих телевізійних камерах.

Дуже корисним застосуванням фотоефекту є побудова сонячних панелей. Панелі сонячних батарей - це масиви фотоелектричних елементів, які є клітинами, які використовують електрони, викинуті з металів сонячним випромінюванням, для генерації струму. Станом на 2018 рік майже 3 відсотки енергії у світі виробляється на сонячних батареях, але це число є очікується, що протягом наступних кількох років значно зросте, особливо, оскільки ефективність таких панелей збільшується.

Але найголовніше - відкриття та розуміння фотоефекту заклали основу для галузі квантової механіки та кращого розуміння природи світла.

Є багато експериментів, які можна провести у вступній фізичній лабораторії, щоб продемонструвати фотоелектричний ефект. Деякі з них складніші за інші.

Простий експеримент демонструє фотоефект за допомогою електроскопа та УФ-лампи, що забезпечують ультрафіолетове світло. Покладіть негативний заряд на електроскоп так, щоб голка відхилилася. Потім засвітіть лампою UV-C. Світло від лампи вивільняє електрони з електроскопа і розряджає його. Ви можете сказати, що це відбувається, побачивши зменшення відхилення голки. Однак зауважте, що якщо ви спробуєте той самий експеримент із позитивно зарядженим електроскопом, це не спрацює.

Існує багато інших можливих способів експериментувати з фотоефектом. Кілька установок включають фотоелемент, що складається з великого анода, який при попаданні падаючого світла вивільняє електрони, які вловлює катод. Наприклад, якщо цю установку підключити до вольтметра, фотоефект стане очевидним, коли сяюче світло створює напругу.

Більш складні установки дозволяють проводити точніші вимірювання і навіть дозволяють визначити робочу функцію та порогові частоти для різних матеріалів. Посилання див. У розділі „Ресурси”.