O Se on tehtyvalosähköinen on fysikaalinen ilmiö, joka koostuu tiettyjen materiaalien, yleensä metallisten, emissiosta, kun ne valaistaan elektromagneettiset aallot tietyillä taajuuksilla. Tässä ilmiössä kevyt käyttäytyy kuin a hiukkanen, siirtämällä energiaa elektroneille, jotka ovat poistettu pois materiaalista.
Yhteenveto valosähköisestä vaikutuksesta
Fyysinen ilmiö, jonka Heinrich Hertz löysi vuonna 1886;
Albert Einstein selitti sen vuonna 1905 Planckin vuonna 1900 ehdottaman valon kvantisoinnin avulla;
Elektroneja työnnetään vain, jos tulevien fotonien energia on suurempi tai yhtä suuri kuin materiaalin työfunktio;
Työnnettyjen elektronien kineettinen energia riippuu vain tulevan valon taajuudesta;
Valon voimakkuus vaikuttaa vain siihen, kuinka monta elektronia heitetään ulos sekunnissa.
Älä lopeta nyt... Mainonnan jälkeen on enemmän;)
Valosähköisen vaikutuksen historia
Noin vuonna 1886 saksalainen fyysikko Heinrichhertsi (1857-1894) teki useita kokeita osoittamaan elektromagneettiset aallot
. Tätä varten Hertz tuotti purkauksia kahden elektrodin välillä, ja toisinaan hän tajusi, että valaistuna katodi pystyi tuottamaan voimakkaampia sähköpurkauksia. Hertz oli tietämättä sitä löytänyt valosähköisen vaikutuksen säteetkatodi.Kaksi vuotta Hertzin havaintojen jälkeen J.J.Thomson osoitti, että valaistujen levyjen lähettämät hiukkaset olivat elektroneja. Siksi, thomson osoitti, että katodihiukkasten varaus / massa (e / m) -suhde oli sama kuin elektronit- hiukkaset, jotka hän löysi muutama vuosi aiemmin.
Katsomyös: Elektronin löytäminen
Vuonna 1903 Hertzin avustaja, PhilippLenard, kehitti sarjan kokeita a suhde välissä valon voimakkuus ja elektronienergia Lenard totesi, että näiden kahden asian välillä ei ollut riippuvuutta, mikä oli odotettavissa fysiikan tuolloin tuntemuksen mukaan. Vuotta myöhemmin, Schweilder hän pystyi todistamaan, että metallilevyistä lähtevien elektronien kineettinen energia oli suoraan verrannollinen niitä valaisevan valon taajuuteen.
Saadut tulokset ovat kokeellisesti ristiriidassa klassisen teorian kanssa sähkömagneetti ja siitä tuli suuri haaste fyysikoille tuolloin noin 18 vuoden ajan. Vuoden aikana 1905, Einstein - hyödynsi Planck, selittää tyydyttävästi operaatio / valosähköinen ilmiö. Einsteinin käyttämää ehdotusta kutsutaan sähkömagneettisen kentän kvantisointi. Vuonna 1900 Planck yritti kaikin tavoin selittää mustan rungon ongelma, ja pystyi tekemään niin vain ehdottamalla, että valo kvantisoitiin, ts. että sillä oli energia-arvoja kerrannaisia pienemmästä määrästä. Vaikka Planck ymmärsi, että hänen tekonsa oli vain matemaattinen laite, joka pystyi selittämään ilmiön fyysikko, Einstein uskoi, että valo todella koostuu suuresta määrästä hiukkasia, joilla oli energiaa. Tulevaisuudessa tällaisia hiukkasia kutsutaan fotonit.
Valosähköistä vaikutusta koskevan artikkelinsa julkaisemisen jälkeen Einsteinille myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto vuonna 1921.
Lisätietoja:Mitä fotonit ovat?
Kaavat
Planckin ehdottaman ja Einsteinin käyttämän valon korpuskulaarisen valoteorian mukaan vaikutuksen selittämiseen valosähköinen, valo koostuu suuresta määrästä fotoneja - massattomia hiukkasia, jotka kuljettavat pienen määrän. teho. Tämä energia on verrannollinen valon taajuuteen ja myös Planckin vakioon (h = 6,662,10-34 J.s) seuraavan yhtälön mukaisesti:
JA - fotonienergia
H - Planckin vakio
f - valotaajuus
Jos fotonin energia on riittävän suuri, se voi repiä elektroneja ulos materiaalista. Työnnetyn elektronin kineettinen energia voidaan laskea seuraavalla yhtälöllä:
K - elektronien kineettinen energia
JA - fotonienergia
Φ - Työnkuva
Edellä olevan lausekkeen mukaan elektronien (K) saama kineettinen energia riippuu tulevien fotonien (E) energiasta ja myös Φ (ammattityö). Tämä määrä mittaa potentiaalienergian määrää, jolla elektronit sitoutuvat materiaaliin, se on vähimmäisenergia, joka tarvitaan niiden vetämiseen. Siksi kaikki ylimääräinen energia siirretään elektroneihin muodossa energiaakinetiikka. Tässä on tärkeää ymmärtää, että elektronien saama kineettinen energia riippuu yksinomaan antaa tulevan valon taajuus eikä säteilevän valon voimakkuutta.
Valon taajuus, ei sen voimakkuus, määrää, tuleeko elektroneja ulos.
työfunktiotaulukko
Katso mitata joidenkin tunnettujen materiaalien työtoiminto. Tämä toiminto viittaa vähimmäismäärä energia, jota tarvitaan elektronien repimiseen materiaalin pinnalta:
Materiaali |
Työtoiminto (eV) |
Alumiini |
4,08 |
Kupari |
4,7 |
Rauta |
4,5 |
Platina |
6,35 |
Hopea |
4,73 |
Sinkki |
4,3 |
Valosähköinen kokeilu
Noudata alla olevaa kuvaa, siinä on yksinkertaistettu kaavio kokeellisesta järjestelystä, jota Phillip Lenard käytti valosähköisen vaikutuksen tutkimiseen:
Kokeellinen järjestelmä, jota käytettiin valosähköisen vaikutuksen tutkimiseen.
Koe koostui kahdesta yhdensuuntaisesta metallilevystä, jotka oli kytketty paristoon. Piirissä oli ampeerimittarit, - käytetään mittaamaan kahden levyn välinen sähkövirta, ja - voltimittarit, jota käytetään mittaamaan akun muodostama sähköjännite.
Kun tämä akku valaistiin tietyillä valotaajuuksilla, yksi levyistä lähetti joitain elektroneja, jotka saivat positiivisia varauksia (katodi). Akun aiheuttaman potentiaalieron kiihdyttyä elektronit saavuttivat toisen levyn. Tämä sähkövirta mitattiin ampeerimittarilla.
Lenard huomasi, että valon voimakkuuden kasvaessa enemmän elektroneja työnnettiin joka sekunti. Pitäen kuitenkin valolähteen lähettämän valon taajuus vakiona, energia, jolla elektronit työnnettiin, ei muuttunut. Katso alla olevaa kaaviota:
Saturaatiovirta vastaa elektronien lukumäärää, jotka valaistu levy levittää sekunnissa.
Yllä oleva kuva liittyy sähkövirta - tuotetaan elektronien toimesta, toinen levy työntää pois ja toinen levy sieppaa sähköinen potentiaali niiden välillä. Käyttämällä tätä potentiaalia elektronit, jotka juuri lähtivät levyltä, jopa ilman nollaa kineettistä energiaa, saavuttivat toisen levyn. Kun kaikki poistetut elektronit saavuttavat toisen levyn, sähkövirta on tyydyttynyt, eli se alkaa pysyä vakio. Voidaan nähdä, että kyllästysvirta riippuu valon voimakkuus: mitä suurempi valon voimakkuus, sitä suurempi sähkövirta muodostuu levyjen väliin.
Kun käytetään vastakkaista sähköpotentiaalia, levyltä toiselle kulkevien elektronien liikkumisen viivästyttämiseksi havaitaan kuitenkin, että pienin sähköpotentiaali (V0), olla nimeltään leikkausmahdollisuudet, jolloin mikään elektroni ei pääse toiseen levyyn. Tämä osoittaa, että kineettinen energia, jolla elektronit lähtevät levyiltä, ei riipu valon voimakkuudesta. Elektronien suurin kineettinen energia voidaan laskea seuraavalla yhtälöllä:
K - elektronien suurin kineettinen energia
ja - peruskuorma (1.6.10-19 Ç)
V0 - leikkauspotentiaali
Elektronijännite
Koska elektronien kineettisen energiamoduulien moduulit ovat liian matalat mitattaviksi jouleina, nämä energiamittaukset tehdään rutiininomaisesti toisessa paljon pienemmässä yksikössä, elektronijännite (eV). Elektroni-voltti on sähköpotentiaalienergian määrä, jonka kokee ladattu hiukkanen, jolla on alin olemassa oleva varausarvo, a perustavanlaatuinen maksu, kun se sijoitetaan alueelle, jonka sähköpotentiaali on yhtä suuri kuin 1 V. Siksi 1 eV vastaa arvoa 1.6.10-19 J.
Elektroni-Voltin lisäksi on tavallista käyttää etuliitteitä, kuten: keV (kiloelektronit-volttia, 103 eV), Me v (Megaelektronivolttia, 106 eV), TeV (teraelektronivolttia, 109 eV) jne.
Valosähköisen vaikutuksen tekniset sovellukset
Valosähköisen vaikutuksen selityksen perusteella syntyi useita teknisiä sovelluksia. Tunnetuin niistä on ehkä aurinkokennot. Nämä solut ovat aurinkopaneelit, niiden kautta se on mahdollista muuntaa valoenergia sisään sähkövirta. Katso luettelo tärkeimmistä keksinnöistä, jotka perustuvat valosähköiseen vaikutukseen:
Valovaltiset solut;
Releet;
liiketunnistimet;
Valoresistorit.
ratkaisi harjoituksia
1) 4 eV: n fotoneilla valaistu aine kykenee työntämään elektroneja ulos 6 eV: n energialla. Määritä tällaisen aineen työfunktion moduuli.
Resoluutio:
Käytämme työfunktion yhtälöä tämän määrän laskemiseen, huomaa:
Jos poistettujen elektronien (K) liike-energia on yhtä suuri kuin 6 eV ja tulevien fotonien energia (E) on yhtä suuri kuin 4 eV, meillä on:
Tehdyn laskelman mukaan tämän materiaalin työfunktio, toisin sanoen minimienergia elektronien poistamiseksi, on 2 eV.
2) Kun valaisemme metallilevyn, jonka työtehtävä on 7 eV, havaitsemme elektronien poistumisen 4 eV: n energioilla. Määritä:
a) tulevien fotonien energia;
b) tulevien fotonien taajuus.
Resoluutio:
a) Määritetään tulevan valon fotonien energia työtoiminnon avulla:
B) Fotonien taajuuden laskemiseksi voimme käyttää seuraavaa yhtälöä:
Kun otetaan huomioon harjoituksen antamat tiedot, meillä on seuraava laskelma:
Kirjailija: Rafael Hellerbrock
