О Направено ефотоелектрически е физическо явление, което се състои от излъчване на електрони от определени материали, обикновено метални, когато се осветяват от електромагнитни вълни на специфични честоти. В това явление, светлина се държи като a частица, прехвърляйки енергия на електрони, които са изхвърлен от материала.
Резюме за фотоелектричния ефект
Физически феномен, открит от Хайнрих Херц през 1886 г .;
Обяснено от Алберт Айнщайн, през 1905 г., чрез квантуване на светлината, предложено от Планк през 1900 г .;
Електроните се изхвърлят само ако енергията на падащите фотони е по-голяма или равна на работната функция на материала;
Кинетичната енергия на изхвърлените електрони зависи само от честотата на падащата светлина;
Интензивността на светлината влияе само върху това колко електрони се изхвърлят всяка секунда.
История на фотоелектричния ефект
Около 1886 г. немският физик Хайнриххерц (1857-1894) извърши няколко експеримента, за да докаже съществуването на електромагнитни вълни. За да направи това, Hertz произвежда разряди между два електрода и понякога осъзнава, че когато е осветен, катодът е способен да произвежда по-интензивни електрически разряди. Без да знае, Херц беше открил фотоелектрическия ефект чрез излъчването на
лъчикатод.Две години след наблюденията на Херц, Дж. Дж. Томсън доказа, че частиците, излъчвани от осветените плочи, са електрони. Следователно, Томсън доказа, че съотношението заряд към маса (e / m) на частиците катод е равно на това на електрони- частици, открити от него няколко години по-рано.
Вижсъщо: Откриването на електрона
През 1903 г. асистентът на Херц, ФилипЛенард, разработи серия от експерименти, за да установи a връзка между интензитет на светлината и електронна енергия издаден, Ленард заключава, че няма зависимост между двете неща, което е очаквано, според познанията по физика по това време. Една година по-късно, Швайлдер той успя да докаже, че кинетичната енергия на електроните, напускащи металните плочи, е пряко пропорционална на честотата на светлината, която ги осветява.
Получените резултати експериментално противоречат на класическата теория на електромагнетизъм и се превърна в голямо предизвикателство за физиците по това време за около 18 години. През годината на 1905, Айнщайн използва предложение, представено от Планк, обясняващо задоволително операция на фотоелектричен ефект. Обажда се предложението, използвано от Айнщайн квантуване на електромагнитното поле. През 1900 г. Планк се опита по всякакъв начин да обясни проблем с черното тяло, и беше в състояние да го направи само като предположи, че светлината е квантована, тоест, че има енергийни стойности, кратни на по-малко количество. Въпреки че Планк разбира, че неговият подвиг е само математическо устройство, способно да обясни явление физик, Айнщайн вярва, че светлината наистина се състои от голям брой частици, които са имали енергия. В бъдеще такива частици ще започнат да се наричат фотони.
След публикуването на статията си за фотоелектричния ефект, Айнщайн е удостоен с Нобелова награда за физика през 1921 година.
Научете повече за:Какво представляват фотоните?
Формули
Според корпускулярната теория за светлината, предложена от Планк и използвана от Айнщайн за обяснение на ефекта фотоелектрична, светлината се състои от голям брой фотони - безмасови частици, които носят малко количество. мощност. Тази енергия е пропорционална на честотата на светлината, а също и на константата на Планк (h = 6.662.10-34 J.s), както е показано в следното уравнение:
И - фотонна енергия
З. - константа на Планк
е - честота на светлината
Ако енергията на фотона е достатъчно голяма, той може да изтръгне електроните от материала. Кинетичната енергия на изхвърлен електрон може да се изчисли, като се използва следното уравнение:
К - кинетична енергия на електроните
И - фотонна енергия
Φ - работна функция
Съгласно горния израз, кинетичната енергия, придобита от електроните (K), зависи от енергията на падащите фотони (E), а също и от Φ (професияработа). Това количество измерва количеството потенциална енергия, с което електроните са свързани към материала, това е минималната енергия, необходима за изваждането им. Следователно цялата излишна енергия се прехвърля на електроните под формата на енергиякинетика. Тук е важно да осъзнаем, че кинетичната енергия, придобита от електроните, зависи от това единствено и само дава честота на падащата светлина а не интензивността на излъчваната светлина.
Честотата на светлината, а не нейният интензитет, определя дали електроните ще бъдат изхвърлени.
таблица на работните функции
Вижте мярка на работната функция на някои известни материали. Тази функция се отнася до минимално количество енергия, необходима на електроните да бъдат изтръгнати от повърхността на материала:
Материал |
Функция за работа (eV) |
Алуминий |
4,08 |
Мед |
4,7 |
Желязо |
4,5 |
Платина |
6,35 |
Сребро |
4,73 |
Цинк |
4,3 |
Експеримент с фотоелектричен ефект
Обърнете внимание на фигурата по-долу, тя представя опростена схема на експерименталното устройство, използвана от Филип Ленард, за изследване на фотоелектричния ефект:
Експериментална схема, използвана за изследване на фотоелектричния ефект.
Експериментът се състоеше от две успоредни метални плочи, свързани към батерия. Във веригата имаше амперметри, използвани за измерване на електрическия ток между двете плочи, и волтметри, използван за измерване на електрическото напрежение, установено от батерията.
Когато тази батерия беше осветена от определени честоти на светлината, някои електрони бяха излъчени от една от плочите, които придобиха положителни заряди (катод). Когато се ускоряват от потенциална разлика, осигурена от батерията, електроните достигат до другата плоча. Този електрически ток беше измерен от амперметъра.
Ленард забеляза, че с увеличаване на интензитета на светлината всяка секунда се изхвърлят повече електрони. Въпреки това, поддържайки постоянната честота на светлината, излъчвана от източника на светлина, енергията, с която се изхвърлят електроните, не се променя. Вижте таблицата по-долу:
Токът на насищане съответства на броя електрони, изхвърляни от осветената плоча всяка секунда.
Фигурата по-горе се отнася до електрически ток произведени от електрони, изхвърлени от едната плоча и уловени от другата плоча, с електрически потенциал установени между тях. Прилагайки този потенциал, електроните, които току-що са напуснали плочата, дори с нулева кинетична енергия, са достигнали другата плоча. Когато всички изхвърлени електрони достигнат другата плоча, електрическият ток е наситен, тоест започва да остава постоянна. Това, което може да се види е, че токът на насищане зависи от интензитет на светлината: колкото по-голяма е интензивността на светлината, толкова по-голям е електрическият ток, образуван между плочите.
Въпреки това, когато се прилага противоположен електрически потенциал, за да се забави движението на електроните, които преминават от едната плоча към другата, се забелязва, че има минимален електрически потенциал (V0), Наречен потенциал за рязане, при което никой електрон не може да достигне другата плоча. Това показва, че кинетичната енергия, с която електроните напускат плочите, не зависи от интензивността на светлината. Максималната кинетична енергия на електроните може да бъде изчислена, като се използва следното уравнение:
К - максимална кинетична енергия на електроните
и - основно натоварване (1.6.10-19 ° С)
V0 - потенциал за рязане
Електрон-Волт
Тъй като модулите на кинетичната енергия на електроните имат модули твърде ниски, за да бъдат измерени в джаули, тези измервания на енергия обикновено се правят в друга много по-малка единица електронен волт (eV). Електронът Волт е количеството електрическа потенциална енергия, изпитвана от заредена частица с най-ниската съществуваща стойност на заряда, а основен заряд, когато се поставят в област с електрически потенциал, равна на 1 V. Следователно 1 eV е еквивалентно на 1.6.10-19 J.
В допълнение към електрон-Волта, често се използват префикси като: keV (килоелектрони-волтове, 103 eV), Аз v (Мегаелектрон-волтове, 106 eV), TeV (тераелектрон-волт, 109 eV) и др.
Технологични приложения на фотоелектричния ефект
Възникнаха няколко технологични приложения въз основа на обяснението на фотоелектричния ефект. Най-известният от тях е може би фотоволтаичните клетки. Тези клетки са основните единици на слънчеви панели, чрез тях е възможно превръщам The светлинна енергия в електрически ток. Вижте списък с основните изобретения въз основа на фотоелектричния ефект:
Фотоволтаични клетки;
Релета;
датчици за движение;
Фоторезистори.
решени упражнения
1) Веществото, когато е осветено от фотони от 4 eV, е способно да изхвърля електрони с енергия от 6 eV. Определете модула на работната функция на такова вещество.
Резолюция:
Ще използваме уравнението на работната функция, за да изчислим това количество, забележете:
Ако кинетичната енергия на изхвърлените електрони (K) е равна на 6 eV, а енергията на падащите фотони (E) е равна на 4 eV, ще имаме:
Според направеното изчисление работната функция на този материал, тоест минималната енергия за изхвърляне на електроните, е 2 eV.
2) Когато осветяваме метална плоча, чиято работна функция е 7 eV, наблюдаваме изхвърлянето на електрони с енергии от 4 eV. Определи:
а) енергията на падащите фотони;
б) честотата на падащите фотони.
Резолюция:
а) Нека определим енергията на падащите светлинни фотони чрез работната функция:
Б) За да изчислим честотата на фотоните, можем да използваме следното уравнение:
Вземайки данните, предоставени от упражнението, ще имаме следното изчисление:
От Рафаел Хеллерброк
Източник: Бразилско училище - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm