Ο Είναι φτιαγμένοφωτοηλεκτρικός είναι ένα φυσικό φαινόμενο που συνίσταται στην εκπομπή ηλεκτρονίων από ορισμένα υλικά, συνήθως μεταλλικά, όταν φωτίζεται από Ηλεκτρομαγνητικά κύματα συγκεκριμένων συχνοτήτων. Σε αυτό το φαινόμενο, το φως συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο, μεταφορά ενέργειας σε ηλεκτρόνια, τα οποία είναι εκδιώχθηκε έξω από το υλικό.
Περίληψη για το φωτοηλεκτρικό εφέ
Φυσικό φαινόμενο που ανακαλύφθηκε από τον Heinrich Hertz το 1886.
Εξηγήθηκε από τον Albert Einstein, το 1905, μέσω της κβαντοποίησης του φωτός που πρότεινε ο Planck το 1900.
Τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται μόνο εάν η ενέργεια των προσπίπτοντων φωτονίων είναι μεγαλύτερη ή ίση με τη λειτουργία εργασίας του υλικού.
Η κινητική ενέργεια των εξαγόμενων ηλεκτρονίων εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός.
Η ένταση του φωτός επηρεάζει μόνο πόσα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται κάθε δευτερόλεπτο.
Ιστορικό του φωτοηλεκτρικού εφέ
Γύρω στο 1886, ο Γερμανός φυσικός Χάινριχχέρτζ (1857-1894) πραγματοποίησε διάφορα πειράματα για να αποδείξει την ύπαρξη του
Ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Για να γίνει αυτό, ο Hertz παρήγαγε εκκενώσεις μεταξύ δύο ηλεκτροδίων και, κατά καιρούς, συνειδητοποίησε ότι, όταν φωτίζεται, η κάθοδος ήταν ικανή να παράγει πιο έντονες ηλεκτρικές εκκενώσεις. Χωρίς να το γνωρίζει, ο Hertz είχε ανακαλύψει το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα, μέσω της εκπομπής του ακτίνεςκάθοδος.Δύο χρόνια μετά τις παρατηρήσεις του Hertz, Τζ. Τόμσον απέδειξε ότι τα σωματίδια που εκπέμπονται από τις φωτιζόμενες πλάκες ήταν ηλεκτρόνια. Ως εκ τούτου, Τόμσον απέδειξε ότι η αναλογία φορτίου προς μάζα (e / m) των σωματιδίων της καθόδου ήταν ίση με εκείνη του ηλεκτρόνια- σωματίδια που ανακάλυψε ο ίδιος λίγα χρόνια νωρίτερα.
Κοίταεπίσης: Η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου
Το 1903, ο βοηθός του Χέρτζ, ΦιλίπΛένναρντ, ανέπτυξε μια σειρά πειραμάτων με σκοπό τη δημιουργία ενός σχέση ανάμεσα σε ελαφριά ένταση και το ενέργεια ηλεκτρονίων εκδόθηκε, ο Lenard κατέληξε στο συμπέρασμα ότι δεν υπήρχε καμία εξάρτηση μεταξύ των δύο πραγμάτων, που ήταν αναμενόμενο, σύμφωνα με τις γνώσεις της φυσικής εκείνη την εποχή. Ενα χρόνο μετά, Schweilder μπόρεσε να αποδείξει ότι η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων που εξέρχονται από τις μεταλλικές πλάκες ήταν άμεσα ανάλογη με τη συχνότητα του φωτός που τους φωτίζει.
Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν σε αντίθεση με την κλασική θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμός και έγινε μια μεγάλη πρόκληση για τους φυσικούς εκείνη την εποχή για περίπου 18 χρόνια. Το έτος 1905, Αϊνστάιν έκανε χρήση μιας πρότασης που υπέβαλε ο Πλάνκ, εξηγώντας ικανοποιητικά το λειτουργία του φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Η πρόταση που χρησιμοποιεί ο Αϊνστάιν ονομάζεται ποσοτικοποίηση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Το 1900, ο Planck προσπάθησε, με κάθε τρόπο, να εξηγήσει το ζήτημα μαύρου σώματος, και μπόρεσε να το κάνει μόνο προτείνοντας ότι το φως κβαντοποιήθηκε, δηλαδή ότι είχε ενεργειακές τιμές πολλαπλάσια μικρότερης ποσότητας. Αν και ο Planck κατάλαβε ότι το επίτευγμά του ήταν μόνο μια μαθηματική συσκευή ικανή να εξηγήσει ένα φαινόμενο φυσικός, ο Αϊνστάιν πίστευε ότι το φως αποτελούσε πραγματικά έναν μεγάλο αριθμό σωματιδίων που είχαν ενέργεια. Στο μέλλον, τέτοια σωματίδια θα κληθούν φωτόνια.
Μετά τη δημοσίευση του άρθρου του σχετικά με το φωτοηλεκτρικό εφέ, ο Αϊνστάιν απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1921.
Μάθετε περισσότερα για:Τι είναι τα φωτόνια;
ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΙ τυποι
Σύμφωνα με τη σωματική θεωρία του φωτός, που προτάθηκε από τον Planck και χρησιμοποιήθηκε από τον Αϊνστάιν για να εξηγήσει το αποτέλεσμα φωτοηλεκτρικό, το φως αποτελείται από μεγάλο αριθμό φωτονίων - σωματίδια χωρίς μάζα που φέρουν μια μικρή ποσότητα. εξουσία. Αυτή η ενέργεια είναι ανάλογη με τη συχνότητα του φωτός και επίσης με τη σταθερά του Planck (h = 6.662.10-34 J.s), όπως φαίνεται στην ακόλουθη εξίσωση:
ΚΑΙ - ενέργεια φωτονίων
Η - Η σταθερά του Planck
φά - συχνότητα φωτός
Εάν η ενέργεια ενός φωτονίου είναι αρκετά μεγάλη, μπορεί να σκίσει τα ηλεκτρόνια από το υλικό. Η κινητική ενέργεια ενός εξερχόμενου ηλεκτρονίου μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση:
κ - κινητική ενέργεια ηλεκτρονίων
ΚΑΙ - ενέργεια φωτονίων
Φ - λειτουργία εργασίας
Σύμφωνα με την παραπάνω έκφραση, η κινητική ενέργεια που αποκτάται από τα ηλεκτρόνια (Κ) εξαρτάται από την ενέργεια των προσπίπτοντων φωτονίων (Ε) και επίσης από το Φ (κατοχήεργασία). Αυτή η ποσότητα μετρά την ποσότητα πιθανής ενέργειας με την οποία τα ηλεκτρόνια συνδέονται με το υλικό, είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να τα τραβήξει. Επομένως, όλη η περίσσεια ενέργειας μεταφέρεται στα ηλεκτρόνια με τη μορφή ενέργειακινητική. Εδώ είναι σημαντικό να συνειδητοποιήσουμε ότι εξαρτάται η κινητική ενέργεια που αποκτάται από τα ηλεκτρόνια αποκλειστικά δίνει συχνότητα φωτός συμβάντος και όχι την ένταση του φωτός που εκπέμπεται.
Η συχνότητα του φωτός, όχι η έντασή του, καθορίζει εάν τα ηλεκτρόνια θα εξαχθούν.
πίνακας λειτουργίας εργασίας
Δείτε το μετρούν της λειτουργίας εργασίας ορισμένων γνωστών υλικών. Αυτή η συνάρτηση αναφέρεται στο ελάχιστη ποσότητα της απαιτούμενης ενέργειας για την απόσπαση ηλεκτρονίων από την επιφάνεια του υλικού:
Υλικό |
Λειτουργία εργασίας (eV) |
Αλουμίνιο |
4,08 |
Χαλκός |
4,7 |
Σίδερο |
4,5 |
Πλατίνα |
6,35 |
Ασήμι |
4,73 |
Ψευδάργυρος |
4,3 |
Πείραμα φωτοηλεκτρικών εφέ
Παρατηρήστε το παρακάτω σχήμα, παρουσιάζει ένα απλοποιημένο σχήμα της πειραματικής διάταξης, που χρησιμοποιεί ο Phillip Lenard, για τη μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου:
Πειραματικό σχήμα που χρησιμοποιείται για τη μελέτη του φωτοηλεκτρικού αποτελέσματος.
Το πείραμα αποτελούνταν από δύο παράλληλες μεταλλικές πλάκες συνδεδεμένες με μια μπαταρία. Στο κύκλωμα υπήρχαν αμπερόμετρα, χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ των δύο πλακών, και βολτόμετρα, χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ηλεκτρικής τάσης που καθορίζεται από την μπαταρία.
Όταν αυτή η μπαταρία φωτίστηκε από ορισμένες συχνότητες φωτός, μερικά ηλεκτρόνια εκπέμπονται από μία από τις πλάκες, η οποία απέκτησε θετικά φορτία (κάθοδο). Όταν επιταχύνεται από μια πιθανή διαφορά που παρέχεται από την μπαταρία, τα ηλεκτρόνια έφτασαν στην άλλη πλάκα. Αυτό το ηλεκτρικό ρεύμα μετρήθηκε από το αμπερόμετρο.
Ο Lenard παρατήρησε ότι με την αύξηση της έντασης του φωτός, περισσότερα ηλεκτρόνια εκτοξεύονταν κάθε δευτερόλεπτο. Ωστόσο, διατηρώντας σταθερή τη συχνότητα του φωτός που εκπέμπεται από την πηγή φωτός, η ενέργεια με την οποία εξήχθησαν τα ηλεκτρόνια δεν άλλαξε. Κοιτάξτε το παρακάτω διάγραμμα:
Το ρεύμα κορεσμού αντιστοιχεί στον αριθμό ηλεκτρονίων που εξάγονται από την φωτιζόμενη πλάκα κάθε δευτερόλεπτο.
Το παραπάνω σχήμα αφορά ηλεκτρικό ρεύμα παράγεται από ηλεκτρόνια, εκτοξεύεται από τη μία πλάκα και συλλαμβάνεται από την άλλη πλάκα, με το ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ τους. Εφαρμόζοντας αυτό το δυναμικό, τα ηλεκτρόνια που μόλις έφυγαν από την πλάκα, ακόμη και με μηδενική κινητική ενέργεια, έφτασαν στην άλλη πλάκα. Όταν όλα τα εξερχόμενα ηλεκτρόνια φτάσουν στην άλλη πλάκα, το ηλεκτρικό ρεύμα είναι κορεσμένο, δηλαδή, αρχίζει να παραμένει συνεχής. Αυτό που μπορεί να φανεί είναι ότι το ρεύμα κορεσμού εξαρτάται από το ελαφριά ένταση: όσο μεγαλύτερη είναι η ένταση του φωτός, τόσο μεγαλύτερο είναι το ηλεκτρικό ρεύμα που σχηματίζεται μεταξύ των πλακών.
Ωστόσο, κατά την εφαρμογή ενός αντίθετου ηλεκτρικού δυναμικού, προκειμένου να καθυστερήσει η κίνηση των ηλεκτρονίων που πηγαίνουν από τη μία πλάκα στην άλλη, παρατηρείται ότι υπάρχει ελάχιστο ηλεκτρικό δυναμικό (Ε0), που ονομάζεται δυνατότητες κοπής, όπου κανένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να φτάσει στην άλλη πλάκα. Αυτό δείχνει ότι η κινητική ενέργεια με την οποία τα ηλεκτρόνια φεύγουν από τις πλάκες δεν εξαρτάται από την ένταση του φωτός. Η μέγιστη κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση:
κ - μέγιστη κινητική ενέργεια ηλεκτρονίων
και - θεμελιώδες φορτίο (1.6.10-19 ΝΤΟ)
Β0 - δυνατότητες κοπής
Ηλεκτρόνιο-Volt
Δεδομένου ότι οι μονάδες κινητικής ενέργειας των ηλεκτρονίων έχουν μονάδες πολύ χαμηλές για να μετρηθούν σε Joules, αυτές οι μετρήσεις ενέργειας πραγματοποιούνται συνήθως σε μια άλλη πολύ μικρότερη μονάδα, η ηλεκτρόνιο-βολτ (eV). Το ηλεκτρόνιο-Volt είναι η ποσότητα ενέργειας ηλεκτρικού δυναμικού που βιώνει ένα φορτισμένο σωματίδιο με τη χαμηλότερη υπάρχουσα τιμή φόρτισης, α θεμελιώδες τέλος, όταν τοποθετείται σε περιοχή ηλεκτρικού δυναμικού ίση με 1 V. Επομένως, 1 eV ισοδυναμεί με 1.6.10-19 Ι.
Εκτός από το ηλεκτρόνιο-Volt, είναι κοινό να χρησιμοποιείτε προθέματα όπως: keV (kiloelectrons-Volts, 103 eV), Εγώ v (Megaelectron-Volts, 106 eV), TeV (teraelectron-Volts, 109 eV) κ.λπ.
Τεχνολογικές εφαρμογές του φωτοηλεκτρικού εφέ
Αρκετές τεχνολογικές εφαρμογές εμφανίστηκαν με βάση την εξήγηση του φωτοηλεκτρικού αποτελέσματος. Το πιο διάσημο από αυτά είναι ίσως τα φωτοβολταϊκά κύτταρα. Αυτά τα κελιά είναι οι βασικές μονάδες του ηλιακούς συλλέκτες, μέσω αυτών είναι δυνατόν μετατρέπω ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΦΩΤΟΣ σε ηλεκτρικό ρεύμα. Δείτε μια λίστα με τις κύριες εφευρέσεις με βάση το φωτοηλεκτρικό εφέ:
Φωτοβολταϊκά κύτταρα;
Ρελέ;
αισθητήρες κίνησης;
Φωτοσώστες.
λύσεις ασκήσεις
1) Μια ουσία, όταν φωτίζεται από φωτόνια 4 eV, είναι ικανή να εκτοξεύει ηλεκτρόνια με ενέργεια 6 eV. Προσδιορίστε το συντελεστή της λειτουργίας εργασίας μιας τέτοιας ουσίας.
Ανάλυση:
Θα χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση της συνάρτησης εργασίας για να υπολογίσουμε αυτήν την ποσότητα, σημειώστε:
Εάν η κινητική ενέργεια των εξαγόμενων ηλεκτρονίων (K) είναι ίση με 6 eV και η ενέργεια των προσπίπτοντων φωτονίων (E) ίση με 4 eV, θα έχουμε:
Σύμφωνα με τον υπολογισμό που πραγματοποιήθηκε, η συνάρτηση εργασίας αυτού του υλικού, δηλαδή η ελάχιστη ενέργεια για την εξαγωγή των ηλεκτρονίων, είναι 2 eV.
2) Όταν φωτίζουμε μια μεταλλική πλάκα της οποίας η λειτουργία λειτουργίας είναι 7 eV, παρατηρούμε την εκτόξευση ηλεκτρονίων με ενέργειες 4 eV. Καθορίσει:
α) την ενέργεια των προσπίπτοντων φωτονίων ·
β) τη συχνότητα των περιστατικών φωτονίων.
Ανάλυση:
α) Ας προσδιορίσουμε την ενέργεια των προσπίπτοντων φωτονίων μέσω της λειτουργίας εργασίας:
ΣΙ) Για να υπολογίσουμε τη συχνότητα των φωτονίων, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την ακόλουθη εξίσωση:
Λαμβάνοντας τα δεδομένα που παρέχονται από την άσκηση, θα έχουμε τον ακόλουθο υπολογισμό:
Από τον Rafael Hellerbrock
Πηγή: Σχολείο της Βραζιλίας - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm