O Det er lavetfotoelektrisk er et fysisk fænomen, der består i emission af elektroner fra visse materialer, normalt metalliske, når de belyses af elektromagnetiske bølger af specifikke frekvenser. I dette fænomen er den lys opfører sig som en partikel, overføre energi til elektroner, som er skubbes ud ud af materialet.
Resumé om fotoelektrisk effekt
Fysisk fænomen opdaget af Heinrich Hertz i 1886;
Forklaret af Albert Einstein i 1905 gennem den kvantisering af lys, der blev foreslået af Planck i 1900;
Elektroner skubbes kun ud, hvis energien fra de indfaldende fotoner er større end eller lig med materialets arbejdsfunktion;
De udskudte elektroners kinetiske energi afhænger kun af frekvensen af det indfaldende lys;
Lysintensitet påvirker kun, hvor mange elektroner der skubbes ud hvert sekund.
Stop ikke nu... Der er mere efter reklamen;)
Historie om den fotoelektriske effekt
Omkring 1886, den tyske fysiker Heinrichhertz (1857-1894) udførte flere eksperimenter for at demonstrere eksistensen af elektromagnetiske bølger
. Hertz producerede afladninger mellem to elektroder, og til tider indså han, at katoden, når den var oplyst, var i stand til at producere mere intense elektriske udladninger. Uden at vide det havde Hertz opdaget den fotoelektriske effekt gennem emission af strålerkatode.To år efter Hertz 'observationer J.J. Thomson beviste, at de partikler, der udsendes af de oplyste plader, var elektroner. Derfor, thomson beviste, at forholdet mellem ladning og masse (e / m) for katodepartiklerne var lig med elektroner- partikler opdaget af ham selv et par år tidligere.
Seogså: Opdagelsen af elektronen
I 1903, Hertz assistent, PhilippLenard, udviklet en række eksperimenter for at etablere en forhold imellem lysintensitet og elektronenergi udstedt, konkluderede Lenard, at der ikke var nogen afhængighed mellem de to ting, hvilket man kunne forvente ifølge den fysiske viden på det tidspunkt. Et år senere, Schweilder han var i stand til at bevise, at den kinetiske energi fra elektronerne, der forlader metalpladerne, var direkte proportional med lysfrekvensen, der oplyste dem.
De opnåede resultater modsatte eksperimentelt den klassiske teori om elektromagnetisme og blev en stor udfordring for fysikere på det tidspunkt i omkring 18 år. I året af 1905, Einstein gjort brug af et forslag fremlagt af Planck, tilfredsstillende forklaring af operation af fotoelektrisk effekt. Det forslag, som Einstein bruger, kaldes kvantisering af det elektromagnetiske felt. I år 1900 forsøgte Planck på alle måder at forklare sort kropsproblem, og var kun i stand til at gøre det ved at antyde, at lyset blev kvantiseret, det vil sige, at det havde energiværdier multipler af en mindre mængde. Selvom Planck forstod, at hans bedrift kun var en matematisk enhed, der kunne forklare et fænomen fysiker, Einstein mente, at lys virkelig blev dannet af et stort antal partikler udstyret med energi. I fremtiden vil sådanne partikler blive kaldt fotoner.
Efter offentliggørelsen af sin artikel om den fotoelektriske effekt blev Einstein tildelt Nobelprisen i fysik i 1921.
Lær mere om:Hvad er fotoner?
Formler
Ifølge den corpuscular teori om lys, foreslået af Planck og brugt af Einstein til at forklare effekten fotoelektrisk, lys består af et stort antal fotoner - masseløse partikler, der bærer en lille mængde. strøm. Denne energi er proportional med lysfrekvensen og også med Plancks konstant (h = 6,662.10-34 J.s), som vist i følgende ligning:
OG - foton energi
H - Planck er konstant
f - lysfrekvens
Hvis energien i en foton er stor nok, kan den rive elektroner ud af materialet. Den kinetiske energi af en udkastet elektron kan beregnes ved hjælp af følgende ligning:
K - elektroners kinetiske energi
OG - foton energi
Φ - Jobfunktion
Ifølge ovenstående udtryk afhænger den kinetiske energi, der er erhvervet af elektronerne (K), energien af de indfaldende fotoner (E) og også af Φ (beskæftigelsearbejde). Denne mængde måler mængden af potentiel energi, hvormed elektronerne er bundet til materialet, det er den mindste energi, der er nødvendig for at trække dem ud. Derfor overføres al overskydende energi til elektronerne i form af energikinetik. Her er det vigtigt at indse, at den kinetiske energi, som elektronerne erhverver, afhænger af udelukkende giver indfaldende lysfrekvens og ikke intensiteten af det lys, der udsendes.
Frekvensen af lys, ikke dets intensitet, bestemmer, om elektroner skal skubbes ud.
arbejdsfunktionstabel
Tjek måle arbejdsfunktion af nogle kendte materialer. Denne funktion refererer til mindste mængde krævet energi til elektroner, der skal rives fra overfladen af materialet:
Materiale |
Jobfunktion (eV) |
Aluminium |
4,08 |
Kobber |
4,7 |
Jern |
4,5 |
Platin |
6,35 |
Sølv |
4,73 |
Zink |
4,3 |
Fotoelektrisk effekteksperiment
Overhold figuren nedenfor, den præsenterer et forenklet skema for det eksperimentelle arrangement, der bruges af Phillip Lenard, til undersøgelse af den fotoelektriske effekt:
Eksperimentel ordning brugt til at studere den fotoelektriske effekt.
Eksperimentet bestod af to parallelle metalplader forbundet til et batteri. I kredsløbet var der ammetere, bruges til at måle den elektriske strøm mellem de to plader, og voltmetre, bruges til at måle den elektriske spænding, der er etableret af batteriet.
Da dette batteri blev belyst af visse frekvenser af lys, blev nogle elektroner udsendt af en af pladerne, som fik positive ladninger (katode). Når de accelereres af en potentiel forskel fra batteriet, nåede elektronerne den anden plade. Denne elektriske strøm blev målt af amperemeteret.
Lenard bemærkede, at med stigende lysintensitet blev flere elektroner skudt ud hvert sekund. At holde lysfrekvensen udsendt af lyskilden konstant, men den energi, som elektronerne blev skubbet ud med, ændrede sig ikke. Se på nedenstående skema:
Mætningsstrømmen svarer til antallet af elektroner, der skubbes ud af den oplyste plade hvert sekund.
Ovenstående figur vedrører elektrisk strøm produceret af elektroner, skubbet ud af den ene plade og fanget af den anden plade, med elektrisk potentiale etableret mellem dem. Ved at anvende dette potentiale nåede elektronerne, der lige forlod pladen, selv med nul kinetisk energi, den anden plade. Når alle de udstødte elektroner når den anden plade, den elektriske strøm er mættet, det vil sige, det begynder at forblive konstant. Hvad man kan se er, at mætningsstrømmen afhænger af lysintensitet: jo større lysintensitet, jo større er den elektriske strøm dannet mellem pladerne.
Når man anvender et modsat elektrisk potentiale, observeres det for at forsinke bevægelsen af elektronerne, der går fra den ene plade til den anden, at der er en minimalt elektrisk potentiale (V0), hedder skærepotentiale, hvorved ingen elektron kan nå den anden plade. Dette indikerer, at den kinetiske energi, hvormed elektronerne forlader pladerne, ikke afhænger af lysintensiteten. Elektronernes maksimale kinetiske energi kan beregnes ved hjælp af følgende ligning:
K - maksimal kinetisk energi af elektroner
og - grundlæggende belastning (1.6.10-19 Ç)
V0 - skærepotentiale
Elektron-Volt
Da kinetiske energimoduler af elektroner har moduler for lave til at kunne måles i Joule, foretages disse energimålinger rutinemæssigt i en anden meget mindre enhed, elektron-volt (eV). Elektron-Volt er den mængde elektrisk potentiel energi, der opleves af en ladet partikel med den laveste eksisterende ladningsværdi, a grundlæggende afgift, når de placeres i et område med elektrisk potentiale lig med 1 V. Derfor svarer 1 eV til 1.6.10-19 J.
Ud over elektron-Volt er det almindeligt at bruge præfikser som: keV (kiloelektroner-volt, 103 eV), Mig v (Megaelectron-Volts, 106 eV), TeV (teraelektron-volt, 109 eV) osv.
Teknologiske anvendelser af den fotoelektriske effekt
Flere teknologiske anvendelser opstod baseret på forklaringen af den fotoelektriske effekt. Den mest berømte af dem er måske de solceller. Disse celler er basisenhederne i solpaneler, gennem dem er det muligt at konvertere Det lysenergi i elektrisk strøm. Tjek en liste over de vigtigste opfindelser baseret på den fotoelektriske effekt:
Fotovoltaiske celler;
Relæer;
bevægelsessensorer;
Fotoresistorer.
løste øvelser
1) Et stof, når det belyses af fotoner på 4 eV, er i stand til at skubbe elektroner ud med energi på 6 eV. Bestem modulet for et sådant stofs arbejdsfunktion.
Løsning:
Vi bruger arbejdsfunktionsligningen til at beregne denne mængde, bemærk:
Hvis den udskudte elektroners (K) kinetiske energi er lig med 6 eV og energien fra de indfaldende fotoner (E) lig med 4 eV, har vi:
Ifølge den foretagne beregning er dette materiales arbejdsfunktion, dvs. minimumsenergien til at skubbe elektronerne ud, 2 eV.
2) Når vi belyser en metalplade, hvis arbejdsfunktion er 7 eV, observerer vi udstødningen af elektroner med energier på 4 eV. Bestemme:
a) energien fra de indfaldende fotoner
b) hyppigheden af de indfaldende fotoner.
Løsning:
a) Lad os bestemme energien fra de indfaldende lysfotoner gennem arbejdsfunktionen:
B) For at beregne frekvensen af fotoner kan vi bruge følgende ligning:
Ved at tage de data, der er leveret af øvelsen, har vi følgende beregning:
Af Rafael Hellerbrock
