Photoelektrischer Effekt: Geschichte, Formeln und Übungen

Ö Es ist gemachtfotoelektrisch ist ein physikalisches Phänomen, das aus der Emission von Elektronen durch bestimmte Materialien, normalerweise metallische, besteht, wenn sie von Elektromagnetische Wellen von bestimmten Frequenzen. Bei diesem Phänomen ist die Licht verhält sich wie ein Partikel, Energie auf Elektronen übertragen, die ausgeworfen aus dem Material.

Zusammenfassung zum photoelektrischen Effekt

1886 von Heinrich Hertz entdecktes physikalisches Phänomen;
1905 von Albert Einstein durch die 1900 von Planck vorgeschlagene Quantisierung des Lichts erklärt;
Elektronen werden nur dann ausgestoßen, wenn die Energie der einfallenden Photonen größer oder gleich der Austrittsarbeit des Materials ist;
Die kinetische Energie der ausgestoßenen Elektronen hängt nur von der Frequenz des einfallenden Lichts ab;
Die Lichtintensität beeinflusst nur, wie viele Elektronen pro Sekunde ausgestoßen werden.

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Geschichte des photoelektrischen Effekts

Um 1886 hat der deutsche Physiker

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HeinrichHertz (1857-1894) führten mehrere Experimente durch, um die Existenz von Elektromagnetische Wellen. Dazu erzeugte Hertz Entladungen zwischen zwei Elektroden, und gelegentlich stellte er fest, dass die Kathode bei Beleuchtung in der Lage war, intensivere elektrische Entladungen zu erzeugen. Ohne es zu wissen, hatte Hertz den photoelektrischen Effekt entdeckt, durch die Emission von StrahlenKathode.

Zwei Jahre nach Hertz' Beobachtungen J.J.Thomson bewiesen, dass die von den beleuchteten Platten emittierten Teilchen Elektronen waren. Deshalb, thomson bewiesen, dass das Verhältnis von Ladung zu Masse (e/m) der Kathodenpartikel gleich dem der Elektronen— Partikel, die er einige Jahre zuvor entdeckt hatte.

Aussehenebenfalls: Die Entdeckung des Elektrons

1903 Assistent von Hertz, PhilippLenard, eine Reihe von Experimenten entwickelt, um eine Beziehung zwischen den Lichtintensität und der Elektronenenergie herausgegeben, kam Lenard zu dem Schluss, dass zwischen beiden Dingen keine Abhängigkeit bestehe, die nach damaligem Kenntnisstand der Physik zu erwarten war. Ein Jahr später, Schweilder er konnte beweisen, dass die kinetische Energie der Elektronen, die die Metallplatten verlassen, direkt proportional zur Frequenz des Lichts ist, das sie beleuchtet.

Die experimentell erhaltenen Ergebnisse widersprachen der klassischen Theorie der Elektromagnetismus und wurde für etwa 18 Jahre zu einer großen Herausforderung für die damaligen Physiker. Im Jahr von 1905, Einstein nutzte einen Vorschlag von Planck, zufriedenstellend erklärend Operation von photoelektrischer Effekt. Der von Einstein verwendete Vorschlag heißt Quantisierung des elektromagnetischen Feldes. Im Jahr 1900 versuchte Planck in jeder Hinsicht zu erklären, Problem mit dem schwarzen Körper, und war nur in der Lage, dies zu tun, indem er darauf hinwies, dass Licht quantisiert war, das heißt, dass es Energiewerte hatte, die Vielfache einer kleineren Menge waren. Obwohl Planck erkannte, dass seine Leistung nur ein mathematisches Gerät war, das ein Phänomen erklären konnte Physiker glaubte Einstein, dass Licht in Wirklichkeit aus einer großen Anzahl von Teilchen besteht, die mit Energie. In Zukunft würden solche Teilchen als bezeichnet werden Photonen.

Nach der Veröffentlichung seines Artikels über den photoelektrischen Effekt wurde Einstein 1921 der Nobelpreis für Physik verliehen.

Erfahren Sie mehr über:Was sind Photonen?

Formeln

Nach der Korpuskulartheorie des Lichts, die von Planck vorgeschlagen und von Einstein verwendet wurde, um den Effekt zu erklären photoelektrisch, Licht besteht aus einer großen Anzahl von Photonen – masselosen Teilchen, die eine kleine Menge tragen. Leistung. Diese Energie ist proportional zur Lichtfrequenz und auch zur Planckschen Konstanten (h = 6.662.10^-34 J.s), wie in der folgenden Gleichung gezeigt:

UND — Photonenenergie

H — Plancksche Konstante

f — Lichtfrequenz

Wenn die Energie eines Photons groß genug ist, kann es Elektronen aus dem Material reißen. Die kinetische Energie eines ausgestoßenen Elektrons lässt sich mit folgender Gleichung berechnen:

K — kinetische Energie der Elektronen

UND — Photonenenergie

Φ - Tätigkeitsbereich

Nach obigem Ausdruck hängt die von den Elektronen (K) aufgenommene kinetische Energie von der Energie der einfallenden Photonen (E) und auch von Φ (BesetzungArbeit). Diese Größe misst die Menge an potentieller Energie, mit der die Elektronen an das Material gebunden sind, es ist die minimale Energie, die benötigt wird, um sie herauszuziehen. Daher wird die gesamte überschüssige Energie in Form von auf die Elektronen übertragen EnergieKinetik. Hier ist es wichtig zu erkennen, dass die von Elektronen aufgenommene kinetische Energie von ausschließlich gibt einfallende Lichtfrequenz und nicht die Intensität des emittierten Lichts.

Die Frequenz des Lichts, nicht seine Intensität, bestimmt, ob Elektronen ausgestoßen werden.

Arbeitsfunktionstabelle

Probier das aus messen der Austrittsarbeit einiger bekannter Materialien. Diese Funktion bezieht sich auf die mindestens hinzufügen Energie, die erforderlich ist, damit Elektronen von der Oberfläche des Materials gerissen werden:

Material	Berufsfunktion (eV)
Aluminium	4,08
Kupfer	4,7
Eisen	4,5
Platin	6,35
Silber	4,73
Zink	4,3

Experiment mit photoelektrischem Effekt

Beachten Sie die folgende Abbildung, die ein vereinfachtes Schema der experimentellen Anordnung darstellt, die von Phillip Lenard zur Untersuchung des photoelektrischen Effekts verwendet wurde:

Experimentelles Schema zur Untersuchung des photoelektrischen Effekts.

Das Experiment bestand aus zwei parallelen Metallplatten, die mit einer Batterie verbunden waren. In der Runde gab es Amperemeter, verwendet, um den elektrischen Strom zwischen den beiden Platten zu messen, und Voltmeter, mit dem die von der Batterie aufgebaute elektrische Spannung gemessen wird.

Wenn diese Batterie mit bestimmten Lichtfrequenzen beleuchtet wurde, wurden einige Elektronen von einer der Platten emittiert, die positive Ladungen (Kathode) erhielten. Bei Beschleunigung durch eine von der Batterie bereitgestellte Potentialdifferenz erreichten die Elektronen die andere Platte. Dieser elektrische Strom wurde mit dem Amperemeter gemessen.

Lenard bemerkte, dass mit zunehmender Lichtintensität jede Sekunde mehr Elektronen ausgestoßen wurden. Wenn jedoch die Frequenz des von der Lichtquelle emittierten Lichts konstant gehalten wurde, änderte sich die Energie, mit der die Elektronen ausgestoßen wurden, nicht. Sehen Sie sich das Diagramm unten an:

Der Sättigungsstrom entspricht der Anzahl der von der beleuchteten Platte pro Sekunde ausgestoßenen Elektronen.

Die obige Abbildung bezieht sich auf elektrischer Strom von Elektronen erzeugt, von einer Platte ausgestoßen und von der anderen Platte eingefangen, mit dem elektrisches Potenzial zwischen ihnen etabliert. Durch Anlegen dieses Potentials erreichten die Elektronen, die gerade die Platte verlassen hatten, auch ohne kinetische Energie die andere Platte. Wenn alle ausgestoßenen Elektronen die andere Platte erreichen, wird der elektrische Strom ist gesättigt, das heißt, es beginnt zu bleiben Konstante. Zu erkennen ist, dass der Sättigungsstrom von der Lichtintensität: Je größer die Lichtintensität, desto größer ist der elektrische Strom, der zwischen den Platten gebildet wird.

Wenn jedoch ein entgegengesetztes elektrisches Potenzial angelegt wird, um die Bewegung der Elektronen, die von einer Platte zur anderen gehen, zu verzögern, wird beobachtet, dass es a minimales elektrisches Potenzial (V₀), namens Schnittpotential, wodurch kein Elektron die andere Platte erreichen kann. Dies deutet darauf hin, dass die kinetische Energie, mit der die Elektronen die Platten verlassen, nicht von der Lichtintensität abhängt. Die maximale kinetische Energie der Elektronen lässt sich mit folgender Gleichung berechnen:

K — maximale kinetische Energie der Elektronen

und — Grundlast (1.6.10^-19 )

V₀ — Schnittpotential

Elektronen-Volt

Da die kinetischen Energiemodule von Elektronen Module haben, die zu niedrig sind, um in Joule gemessen zu werden, werden diese Energiemessungen routinemäßig in einer anderen viel kleineren Einheit durchgeführt, der Elektronenvolt (eV). Das Elektron-Volt ist die Menge an elektrischer potentieller Energie, die ein geladenes Teilchen mit dem niedrigsten vorhandenen Ladungswert erfährt, a Grundgebühr, wenn es in einem Bereich mit elektrischem Potenzial von 1 V platziert wird. Daher entspricht 1 eV 1.6.10^-19 J.

Neben dem Elektron-Volt werden häufig Präfixe verwendet wie: keV (Kiloelektronen-Volt, 10³ eV), Ich v (Megaelektronen-Volt, 10⁶ eV), TeV (Teraelektronen-Volt, 10⁹ eV) usw.

Technologische Anwendungen des photoelektrischen Effekts

Auf der Grundlage der Erklärung des photoelektrischen Effekts entstanden mehrere technologische Anwendungen. Die bekannteste davon sind vielleicht die Photovoltaik-Zellen. Diese Zellen sind die Grundeinheiten der Solarplatten, durch sie ist es möglich umwandeln Das Lichtenergie im elektrischer Strom. Sehen Sie sich eine Liste der wichtigsten Erfindungen an, die auf dem photoelektrischen Effekt basieren:

Photovoltaik-Zellen;
Relais;
Bewegungssensoren;
Fotowiderstände.

gelöste Übungen

1) Eine Substanz, die mit Photonen von 4 eV beleuchtet wird, ist in der Lage, Elektronen mit einer Energie von 6 eV auszustoßen. Bestimmen Sie den Modul der Austrittsarbeit eines solchen Stoffes.

Auflösung:

Wir verwenden die Austrittsarbeitsgleichung, um diese Größe zu berechnen, beachten Sie:

Wenn die kinetische Energie der ausgestoßenen Elektronen (K) gleich 6 eV und die Energie der einfallenden Photonen (E) gleich 4 eV ist, erhalten wir:

Nach der durchgeführten Berechnung beträgt die Austrittsarbeit dieses Materials, dh die minimale Energie zum Ausstoß der Elektronen, 2 eV.

2) Wenn wir eine metallische Platte beleuchten, deren Austrittsarbeit 7 eV beträgt, beobachten wir den Ausstoß von Elektronen mit Energien von 4 eV. Bestimmen:

a) die Energie der einfallenden Photonen;

b) die Frequenz der einfallenden Photonen.

Auflösung:

a) Bestimmen wir die Energie der einfallenden Lichtphotonen durch die Austrittsarbeit: