光電効果：歴史、公式、演習

O それは作られている光電は、特定の材料（通常は金属）による電子の放出で構成される物理現象です。電磁波特定の周波数の。この現象では、光のように動作します粒子、エネルギーを電子に伝達します。 排出された 材料から。

光電効果のまとめ

1886年にハインリヒヘルツによって発見された物理現象。
1905年にアルバートアインシュタインによって、1900年にプランクによって提案された光の量子化を通じて説明されました。
電子は、入射光子のエネルギーが材料の仕事関数以上である場合にのみ放出されます。
放出された電子の運動エネルギーは、入射光の周波数にのみ依存します。
光の強さは、毎秒放出される電子の数にのみ影響します。

光電効果の歴史

1886年頃、ドイツの物理学者 ハインリッヒヘルツ （1857-1894）の存在を実証するために、いくつかの実験を実施しました 電磁波. そうするために、ヘルツは2つの電極間に放電を発生させ、時折、彼は、照射されると、カソードがより強い放電を発生させることができることに気づきました。それを知らずに、ハーツはの放出を通して光電効果を発見しました光線陰極。

ヘルツの観測から2年後、 J.J.トムソン 照射されたプレートから放出された粒子が電子であることを証明した。したがって、 トムソン カソード粒子の電荷対質量（e / m）比が電子—数年前に自分で発見した粒子。

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1903年、ヘルツの助手、 フィリップレナード、 を確立するために一連の実験を開発しました関係間に 光強度 そしてその 電子エネルギー レナードは、当時の物理学の知識によれば、予想されていた2つの事柄の間に依存関係はないと結論付けました。一年後、 シュヴァイルダー 彼は、金属板を離れる電子の運動エネルギーが、それらを照らす光の周波数に正比例することを証明することができました。

実験的に得られた結果は、電磁気当時の物理学者にとっては約18年間大きな課題となりました。の年に 1905, アインシュタイン によって提示された提案を利用した プランク、十分に説明します操作の 光電効果. アインシュタインが使用した提案は 電磁界の量子化. 1900年、プランクはあらゆる方法で、 黒体の問題、そしてそれは、光が量子化されていること、つまり、それがより少ない量の倍数のエネルギー値を持っていることを示唆することによってのみそうすることができました。プランクは、彼の偉業は現象を説明できる数学的装置にすぎないと理解していましたが物理学者のアインシュタインは、光は実際には多数の粒子で構成されていると信じていました。エネルギー。将来、そのような粒子は呼ばれるようになるでしょう

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フォトン.

光電効果に関する彼の記事の発表後、アインシュタインは1921年にノーベル物理学賞を受賞しました。

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数式

プランクによって提案され、アインシュタインによって効果を説明するために使用された光の粒子説によると光電性の光は、多数の光子、つまり少量を運ぶ質量のない粒子で構成されています。パワー。このエネルギーは、光の周波数とプランク定数に比例します（h = 6.662.10^-34 J.s）、次の式に示すように：

そして —光子エネルギー

H —プランク定数

f —光の周波数

光子のエネルギーが十分に大きい場合、それは材料から電子を引き裂く可能性があります。放出された電子の運動エネルギーは、次の式を使用して計算できます。

K —電子の運動エネルギー

そして —光子エネルギー

Φ - 職務権限

上記の式によれば、電子によって獲得される運動エネルギー（K）は、入射光子のエネルギー（E）とΦ（職業作業）。 この量は、電子が材料に結合する位置エネルギーの量を測定します。これは、電子を引き出すために必要な最小エネルギーです。したがって、すべての過剰なエネルギーは、次の形で電子に伝達されます。 エネルギー動力学。 ここで重要なのは、電子によって獲得される運動エネルギーが 排他的に 与える 入射光周波数 放出される光の強度ではありません。

光の強度ではなく周波数が、電子が放出されるかどうかを決定します。

仕事関数表

をチェックしてください 測定する いくつかの既知の材料の仕事関数の。この関数は、 最少量 電子が材料の表面から引き裂かれるのに必要なエネルギーの量：

材料	職務機能（eV）
アルミニウム	4,08
銅	4,7
鉄	4,5
白金	6,35
銀	4,73
亜鉛	4,3

光電効果実験

下の図を観察してください。これは、光電効果の研究のためにフィリップ・レーナルトが使用した実験配置の簡略化されたスキームを示しています。

光電効果を研究するために使用される実験スキーム。

実験は、バッテリーに接続された2枚の平行な金属板で構成されました。サーキットには 電流計、 2つのプレート間の電流を測定するために使用され、 電圧計、バッテリーによって確立された電圧を測定するために使用されます。

このバッテリーが特定の周波数の光で照らされると、一部の電子がプレートの1つから放出され、正電荷（カソード）を獲得しました。バッテリーによって提供される電位差によって加速されると、電子はもう一方のプレートに到達しました。この電流は電流計で測定されました。

レナードは、光の強度が増すにつれて、毎秒より多くの電子が放出されることに気づきました。しかし、光源から放出される光の周波数を一定に保つと、電子が放出されるエネルギーは変化しませんでした。以下のチャートを見てください。

飽和電流は、照射されたプレートから毎秒放出される電子の数に対応します。

上の図はに関連しています電流電子によって生成され、一方のプレートによって放出され、もう一方のプレートによって捕捉されます。電位それらの間に確立されました。この電位を印加することにより、運動エネルギーがゼロであっても、プレートを離れたばかりの電子がもう一方のプレートに到達しました。放出されたすべての電子が他のプレートに到達すると、電流が流れます 飽和している、 つまり、それは残り始めます 絶え間ない. 見ることができるのは、飽和電流が 光強度：光の強度が大きいほど、プレート間に形成される電流が大きくなります。

ただし、反対の電位を印加すると、一方のプレートからもう一方のプレートに移動する電子の移動を遅らせるために、 最小電位 （V₀）、と呼ばれる 切断の可能性、それによって電子は他のプレートに到達することができません。これは、電子がプレートを離れる運動エネルギーが光強度に依存しないことを示しています。電子の最大運動エネルギーは、次の式を使用して計算できます。

K —電子の最大運動エネルギー

そして —基本負荷（1.6.10^-19 Ç）

V₀ —切断の可能性

電子ボルト

電子の運動エネルギーモジュールのモジュールはジュールで測定するには低すぎるため、これらのエネルギー測定は通常、別のはるかに小さな単位である 電子ボルト（eV）. 電子ボルトは、既存の電荷値が最も低い荷電粒子が受ける電位エネルギーの量です。 基本電荷、1Vに等しい電位の領域に配置された場合。したがって、1eVは1.6.10に相当します^-19 J。