O Készültfotoelektromos olyan fizikai jelenség, amely bizonyos anyagok - általában fémes - elektronkibocsátásából áll, ha ezeket megvilágítják elektromágneses hullámok meghatározott frekvenciák. Ebben a jelenségben a fény úgy viselkedik, mint egy részecske, energiát továbbítva az elektronokra, amelyek kidobták ki az anyagból.
Összefoglalás a fotoelektromos hatásról
Fizikai jelenséget Heinrich Hertz fedezte fel 1886-ban;
Albert Einstein elmagyarázta 1905-ben, a Planck által 1900-ban javasolt fény kvantálásával;
Az elektronokat csak akkor dobják ki, ha a beeső fotonok energiája nagyobb vagy egyenlő az anyag munkafunkciójával;
A kidobott elektronok mozgási energiája csak a beeső fény frekvenciájától függ;
A fényintenzitás csak azt befolyásolja, hogy hány elektron dobódik ki másodpercenként.
A fotoelektromos hatás története
1886 körül a német fizikus Heinrichhertz (1857-1894) számos kísérletet végzett annak bizonyítására, hogy elektromágneses hullámok. Ehhez Hertz kisütéseket váltott ki két elektróda között, és alkalmanként rájött, hogy megvilágítva a katód képes intenzívebb elektromos kisülések előállítására. Anélkül, hogy tudta volna, Hertz felfedezte a fotoelektromos hatást a
sugarakkatód.Két évvel Hertz megfigyelései után, J.J.Thomson bebizonyította, hogy a megvilágított lemezek által kibocsátott részecskék elektronok voltak. Ebből kifolyólag, thomson bebizonyította, hogy a katódrészecskék töltés / tömeg (e / m) aránya megegyezik a elektronok- néhány évvel korábban saját maga által felfedezett részecskék.
Nézis: Az elektron felfedezése
1903-ban Hertz asszisztense, PhilippLenard, kísérleti sorozatot dolgozott ki annak megállapítására, hogy a kapcsolat között fényerősség és a elektronenergia kiadta, Lenard arra a következtetésre jutott, hogy a két dolog között nincs függőség, amire az akkori fizikai ismeretek szerint számítani lehetett. Egy évvel később, Schweilder be tudta bizonyítani, hogy a fémlemezeket elhagyó elektronok mozgási energiája közvetlenül arányos az őket megvilágító fény frekvenciájával.
A kapott eredmények kísérletileg ellentmondanak a elektromágnesesség és mintegy 18 éven keresztül az akkori fizikusok számára nagy kihívássá vált. Évében 1905, Einstein által benyújtott javaslatot felhasználta Planck, kielégítően elmagyarázza a művelet nak,-nek fotoelektromos hatás. Az Einstein által használt javaslatot felhívják az elektromágneses tér kvantálása. 1900-ban Planck minden szempontból megpróbálta elmagyarázni a fekete test kérdés, és csak arra volt képes, hogy azt sugallta, hogy a fény kvantált, vagyis hogy energiaértékei kisebb mennyiség többszörösei voltak. Bár Planck megértette, hogy bravúrja csak matematikai eszköz, amely képes megmagyarázni egy jelenséget fizikus, Einstein úgy vélte, hogy a fényt valóban számos, felruházott részecske alkotja energia. A jövőben ilyen részecskéket hívnak meg fotonok.
A fotoelektromos hatásról szóló cikk megjelenése után Einstein 1921-ben fizikai Nobel-díjat kapott.
Tudjon meg többet:Mik a fotonok?
Képletek
A fény korpuszkuláris elmélete szerint, amelyet Planck javasolt és Einstein használt a hatás magyarázatára fotoelektromos, a fény nagyszámú fotonból áll - tömeg nélküli részecskék, amelyek kis mennyiséget hordoznak. erő. Ez az energia arányos a fény frekvenciájával és Planck állandójával (h = 6,662,10-34 J.s), az alábbi egyenlet szerint:
ÉS - fotonenergia
H - Planck állandója
f - fényfrekvencia
Ha egy foton energiája elég nagy, akkor elektronokat tud kiszaggatni az anyagból. A kidobott elektron kinetikus energiáját a következő egyenlet segítségével lehet kiszámítani:
K - az elektronok mozgási energiája
ÉS - fotonenergia
Φ - munkakör
A fenti kifejezés szerint az elektronok (K) kinetikus energiája a beeső fotonok energiájától (E) és Φ (Foglalkozásamunka). Ez a mennyiség azt a potenciális energiát méri, amellyel az elektronok meg vannak kötve az anyaggal, ez a minimális energia, amely szükséges a kihúzáshoz. Ezért az összes felesleges energia az elektronokba kerül energiakinetika. Itt fontos felismerni, hogy az elektronok által megszerzett mozgási energia attól függ kizárólagosan ad beeső fény frekvenciája és nem a kibocsátott fény intenzitása.
A fény frekvenciája, nem annak intenzitása határozza meg, hogy az elektronok kilökődjenek-e.
munka funkció táblázat
Nézze meg a intézkedés az ismert anyagok munkafüggvénye. Ez a függvény a minimális mennyiség az elektron felületének az anyag felületéről való leszakításához szükséges energia:
Anyag |
Munka funkció (eV) |
Alumínium |
4,08 |
Réz |
4,7 |
Vas |
4,5 |
Platina |
6,35 |
Ezüst |
4,73 |
Cink |
4,3 |
Fotoelektromos hatás kísérlet
Figyelje meg az alábbi ábrát: bemutatja a kísérleti elrendezés egyszerűsített sémáját, amelyet Phillip Lenard használt a fotoelektromos hatás tanulmányozásához:
A fotoelektromos hatás tanulmányozására használt kísérleti séma.
A kísérlet két párhuzamos fémlemezből állt, amelyek egy elemhez voltak csatlakoztatva. Az áramkörben voltak ampermérők, - a két lemez közötti elektromos áram mérésére szolgál, és - voltmérők, az akkumulátor által létrehozott elektromos feszültség mérésére szolgál.
Amikor ezt az akkumulátort bizonyos fényfrekvenciák világították meg, az elektronok egyike kibocsátotta az egyik lemezt, amely pozitív töltéseket (katódot) nyert. Amikor az akkumulátor által biztosított potenciálkülönbség felgyorsítja, az elektronok elérték a másik lemezt. Ezt az elektromos áramot az ampermérővel mértük.
Lenard észrevette, hogy a növekvő fényerősséggel másodpercenként több elektron dobódik ki. Ha azonban a fényforrás által kibocsátott fény frekvenciáját állandóan tartjuk, akkor az az energia, amellyel az elektronokat kidobták, nem változott. Nézze meg az alábbi táblázatot:
A telítési áram megfelel a megvilágított lemez által másodpercenként kibocsátott elektronok számának.
A fenti ábra a következőkre vonatkozik elektromos áram az elektronok által termelt, az egyik lemez által kidobott és a másik lemez által megfogott elektromos potenciál közöttük létrejött. Ennek a potenciálnak az alkalmazásával a lemezről éppen kilépő elektronok, nulla kinetikus energiával is, elérték a másik lemezt. Amikor az összes kidobott elektron eléri a másik lemezt, az elektromos áramot telített, vagyis kezd maradni állandó. Látható, hogy a telítési áram függ a fényerősség: minél nagyobb a fényintenzitás, annál nagyobb elektromos áram képződik a lemezek között.
Azonban ellentétes elektromos potenciál alkalmazásakor az egyik lemezről a másikra haladó elektronok mozgásának késleltetése érdekében megfigyelhető, hogy van egy minimális elektromos potenciál (V0), hívott vágási potenciál, így egyetlen elektron sem érheti el a másik lemezt. Ez azt jelzi, hogy az a kinetikus energia, amellyel az elektronok elhagyják a lemezeket, nem függ a fény intenzitásától. Az elektronok maximális mozgási energiája a következő egyenlet segítségével számítható ki:
K - az elektronok maximális mozgási energiája
és - alapvető terhelés (1.6.10-19 Ç)
V0 - vágási potenciál
Elektron-Volt
Mivel az elektronok kinetikus energiamoduljainak moduljai túl alacsonyak ahhoz, hogy Joule-ban mérhetők legyenek, ezeket az energiaméréseket rutinszerűen egy másik sokkal kisebb egységben, a elektron-volt (eV). Az elektronfeszültség az az elektromos potenciálenergia mennyisége, amelyet a legalacsonyabb meglévő töltésértékű, töltött töltetű részecske tapasztal, a alapvető töltés, ha az elektromos potenciál 1 V-nak megfelelő tartományába kerül. Ezért 1 eV egyenértékű az 1.6.10 értékkel-19 J.
Az elektron-Volt mellett gyakran olyan előtagokat használnak, mint: keV (kiloelektron-volt, 103 eV), Me v (Megaelektron-volt, 106 eV), TeV (teraelektron-volt, 109 eV) stb.
A fotoelektromos hatás technológiai alkalmazásai
A fotoelektromos hatás magyarázata alapján számos technológiai alkalmazás jelent meg. A leghíresebb közülük talán a fotovoltaikus cellák. Ezek a cellák a napelemek, rajtuk keresztül lehetséges átalakít A fényenergia ban ben elektromos áram. Nézze meg a fő találmányok listáját a fotoelektromos hatás alapján:
Fotovoltás sejtek;
Relék;
mozgásérzékelők;
Fotorezisztorok.
megoldott gyakorlatok
1) Az anyag 4 eV fotonokkal megvilágítva képes 6 eV energiájú elektronokat kidobni. Határozza meg az ilyen anyag munkafüggvényének modulusát.
Felbontás:
Ennek a mennyiségnek a kiszámításához a munkafüggvény egyenletét fogjuk használni, vegye figyelembe:
Ha a kilökődött elektronok (K) kinetikus energiája egyenlő 6 eV, a beeső fotonok energiája (E) pedig 4 eV, akkor:
Az elvégzett számítás szerint ennek az anyagnak a munkafunkciója, vagyis a minimális energia az elektronok kilökésére 2 eV.
2) Amikor egy fémes lemezt világítunk meg, amelynek munkafunkciója 7 eV, akkor 4 eV energiájú elektronok kilökését figyeljük meg. Határozza meg:
a) a beeső fotonok energiája;
b) a beeső fotonok gyakorisága.
Felbontás:
a) Határozzuk meg a beeső fényfotonok energiáját a munkafunkción keresztül:
B) A fotonok frekvenciájának kiszámításához a következő egyenletet használhatjuk:
A gyakorlat által szolgáltatott adatok alapján a következő számítást fogjuk végezni:
Rafael Hellerbrock
Forrás: Brazil iskola - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm
