ფოტოელექტრული ეფექტი: ისტორია, ფორმულები და სავარჯიშოები

ო იგი მზადდებაფოტოელექტრული არის ფიზიკური ფენომენი, რომელიც შედგება ელექტრონების გამოსხივებისგან გარკვეული მასალებისგან, ჩვეულებრივ მეტალისგან, როდესაც განათებულია ელექტრომაგნიტური ტალღები კონკრეტული სიხშირეების. ამ ფენომენში, მსუბუქი იქცევა როგორც ა ნაწილაკი, ენერგიის ელექტრონებზე გადატანა, რომლებიც არის განდევნეს მასალის გარეთ.

რეზიუმე ფოტოელექტრული ეფექტის შესახებ

• ჰაინრიხ ჰერცის მიერ 1886 წელს აღმოჩენილი ფიზიკური ფენომენი;

• ალბერტ აინშტაინის განმარტებით, 1905 წელს, პლანკის მიერ 1900 წელს შემოთავაზებული სინათლის კვანტიზაციის გზით;

• ელექტრონებს უშვებენ მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ინციდენტიანი ფოტონების ენერგია მეტია ან ტოლია მასალის სამუშაო ფუნქციისა;

• განდევნილი ელექტრონების კინეტიკური ენერგია დამოკიდებულია მხოლოდ შემთხვევითი სინათლის სიხშირეზე;

• სინათლის ინტენსივობა მხოლოდ გავლენას ახდენს რამდენი ელექტრონის გამოდევნა ხდება წამში.

ფოტოელექტრული ეფექტის ისტორია

დაახლოებით 1886 წელს, გერმანელი ფიზიკოსი ჰაინრიხიჰერცი (1857-1894) ჩაატარა რამდენიმე ექსპერიმენტი იმის არსებობის დემონსტრირებისათვის ელექტრომაგნიტური ტალღები

. ამისათვის ჰერციმ წარმოქმნა ჩაშვება ორ ელექტროდს შორის და, ზოგჯერ, მიხვდა, რომ განათების დროს, კათოდს უფრო ძლიერი ელექტრული გამონადენის წარმოება შეეძლო. ამის ცოდნის გარეშე, ჰერცმა აღმოაჩინა ფოტოელექტრული ეფექტი, ემისიის საშუალებით სხივებიკათოდი.

ჰერცის დაკვირვებიდან ორი წლის შემდეგ, ჯ.ჯ.ტომსონი დაამტკიცა, რომ განათებული ფირფიტებით გამოყოფილი ნაწილაკები ელექტრონები იყვნენ. ამიტომ, ტომსონი დაამტკიცა, რომ კათოდური ნაწილაკების მუხტი მასა (e / m) თანაფარდობა იყო ელექტრონები- ნაწილაკები, რომლებიც მან რამდენიმე წლით ადრე აღმოაჩინა.

შეხედეასევე: ელექტრონის აღმოჩენა

1903 წელს ჰერცის თანაშემწე, ფილიპელენარდი, შეიმუშავა ექსპერიმენტების სერია ა ურთიერთობა შორის სინათლის ინტენსივობა და ელექტრონული ენერგია გამოსცა, ლენარდმა დაასკვნა, რომ ამ დროს ფიზიკის ცოდნის თანახმად, ორ რამეს შორის არანაირი დამოკიდებულება არ არსებობს. Ერთი წლის შემდეგ, შვაილდერი მან შეძლო დაემტკიცებინა, რომ მეტალის ფირფიტებიდან გასული ელექტრონების კინეტიკური ენერგია პირდაპირპროპორციული იყო სინათლის სიხშირისა, რომელიც ანათებდა მათ.

მიღებული შედეგები ექსპერიმენტულად ეწინააღმდეგებოდა კლასიკურ თეორიას ელექტრომაგნეტიზმი და გახდა მთავარი გამოწვევა იმ დროს ფიზიკოსებისთვის დაახლოებით 18 წლის განმავლობაში. წელს 1905, აინშტაინი გამოიყენა წინადადება პლანკი, დამაკმაყოფილებლად ხსნის ოპერაცია საქართველოს ფოტოელექტრული ეფექტი. აინშტაინის მიერ გამოყენებულ წინადადებას ეწოდება ელექტრომაგნიტური ველის კვანტიზაცია. 1900 წელს პლანკი ყველანაირად ცდილობდა ახსნა შავი სხეულის საკითხიდა მხოლოდ ამის გაკეთება შეძლეს იმის ვარაუდით, რომ სინათლე იყო კვანტიზებული, ანუ მას ჰქონდა ენერგეტიკული მნიშვნელობები უფრო მცირე რაოდენობის ჯერადი. მართალია, პლანკს ესმოდა, რომ მისი საქმე მხოლოდ მათემატიკური მოწყობილობა იყო, რომელსაც ფენომენის ახსნა შეეძლო ფიზიკოსს, აინშტაინს სჯეროდა, რომ სინათლე მართლაც შედგებოდა იმ ნაწილაკებისგან, რომლებსაც გააჩნდათ ენერგია მომავალში ასეთ ნაწილაკებს უწოდებენ ფოტონები.

ფოტოელექტრული ეფექტის შესახებ სტატიის გამოქვეყნების შემდეგ, აინშტაინს მიენიჭა ნობელის პრემია ფიზიკაში 1921 წელს.

შეიტყვეთ მეტი ამის შესახებ:რა არის ფოტონები?

ფორმულები

პლანკის მიერ შემოთავაზებული სინათლის კორპუსკულარული თეორიის თანახმად, რომელიც აინშტაინმა გამოიყენა ეფექტის ასახსნელად ფოტოელექტრული, სინათლე შედგება დიდი რაოდენობით ფოტონისაგან - მასობრივი ნაწილაკები, რომლებიც მცირე რაოდენობას ატარებენ. ძალა. ეს ენერგია სინათლის სიხშირისა და ასევე პლანკის მუდმივის პროპორციულია (h = 6.662.10)^-34 J.s), როგორც ნაჩვენებია შემდეგ განტოლებაში:

და - ფოტონის ენერგია

ჰ - პლანკის მუდმივა

ვ - სინათლის სიხშირე

თუ ფოტონის ენერგია საკმარისად დიდია, მას შეუძლია ელექტრონები დააკოპიროს მასალისგან. განდევნილი ელექტრონის კინეტიკური ენერგია შეიძლება გამოითვალოს შემდეგი განტოლების გამოყენებით:

კ - ელექტრონების კინეტიკური ენერგია

და - ფოტონის ენერგია

Φ - სამუშაო ფუნქცია

ზემოხსენებული გამოთქმის თანახმად, ელექტრონების (K) მიერ შეძენილი კინეტიკური ენერგია დამოკიდებულია ინციდენტის მქონე ფოტონების (E) ენერგიაზე და აგრეთვე Φ (ოკუპაციამუშაობა). ეს სიდიდე ზომავს პოტენციური ენერგიის რაოდენობას, რომლითაც ელექტრონები უკავშირდებიან მასალას, ეს არის მინიმალური ენერგია, რომელიც საჭიროა მათი გამოსაყვანად. ამიტომ, მთელი ზედმეტი ენერგია ელექტრონებში გადადის სახით ენერგიაკინეტიკა. აქ მნიშვნელოვანია იმის გაცნობიერება, რომ ელექტრონების მიერ შეძენილი კინეტიკური ენერგია დამოკიდებულია ექსკლუზიურად აძლევს ინციდენტის სინათლის სიხშირე და არა სინათლის ინტენსივობა, რომელიც გამოიყოფა.

იქნება თუ არა ელექტრონების განდევნა სინათლის სიხშირე და არა მისი ინტენსივობა.

სამუშაო ფუნქციის ცხრილი

შეამოწმეთ გავზომოთ ზოგიერთი ცნობილი მასალის სამუშაო ფუნქციის შესახებ. ეს ფუნქცია ეხება მინიმალური რაოდენობა ენერგიის საჭირო მასალა ელექტრონიდან მასალის ზედაპირიდან:

მასალა	სამუშაოს ფუნქცია (eV)
ალუმინის	4,08
სპილენძი	4,7
რკინა	4,5
პლატინა	6,35
ვერცხლისფერი	4,73
თუთია	4,3

ფოტოელექტრული ეფექტის ექსპერიმენტი

დააკვირდით ქვემოთ მოცემულ ფიგურას, იგი წარმოადგენს ექსპერიმენტული მოწყობის გამარტივებულ სქემას, რომელსაც ფილიპ ლენარდი იყენებს, ფოტოელექტრული ეფექტის შესასწავლად:

ექსპერიმენტული სქემა, რომელიც გამოიყენება ფოტოელექტრული ეფექტის შესასწავლად.

ექსპერიმენტი შედგებოდა ორი პარალელური ლითონის ფირფიტისგან, რომლებიც დაკავშირებულია ბატარეასთან. წრეში იყვნენ ამპერმეტრი, გამოიყენება ელექტროენერგიის გასაზომად ორ ფირფიტს შორის და ვოლტმეტრი, გამოიყენება ბატარეის მიერ დადგენილი ელექტრული ძაბვის გასაზომად.

როდესაც ეს ელემენტი ანათებდა სინათლის გარკვეული სიხშირეებით, ზოგიერთ ელექტრონს ასხივებდა ერთ-ერთი ფირფიტა, რომელმაც მიიღო დადებითი მუხტები (კათოდი). ბატარეის მიერ მოწოდებული პოტენციური სხვაობით დაჩქარებისას, ელექტრონებმა მიაღწიეს სხვა ფირფიტას. ეს ელექტროენერგია იზომება ამპერმეტრით.

ლენარდმა შეამჩნია, რომ სინათლის ინტენსივობის მატებასთან ერთად, წამში მეტი ელექტრონი გამოიდევნება. ამასთან, სინათლის წყაროს მიერ გამოყოფილი სინათლის სიხშირის მუდმივად შენარჩუნება, ენერგია, რომლითაც ელექტრონები გამოიდევნება, არ შეცვლილა. იხილეთ ქვემოთ მოცემული დიაგრამა:

ინტენსივობის მიმდინარეობა შეესაბამება ელექტრონების რაოდენობას, რომელიც ყოველ წამს ანათებს განათებულ ფირფიტას.

ზემოთ მოცემული ფიგურა ეხება ელექტრო მიმდინარე ელექტრონების მიერ წარმოებული, ერთი ფირფიტის განდევნა და მეორე ფირფიტის მიერ აღებული, ერთად ელექტრო პოტენციალი მათ შორის დამყარებული. ამ პოტენციალის გამოყენებით ელექტრონებმა, რომლებმაც ახლახან დატოვეს ფირფიტა, თუნდაც ნულოვანი კინეტიკური ენერგიით, მიაღწიეს სხვა ფირფიტას. როდესაც ყველა განდევნილი ელექტრონი მიაღწევს სხვა ფირფიტას, ელექტროენერგია გაჯერებულია, ანუ ის იწყებს დარჩენას მუდმივი. რაც ჩანს არის, რომ გაჯერების მიმდინარეობა დამოკიდებულია იმაზე სინათლის ინტენსივობა: რაც უფრო მეტია სინათლის ინტენსივობა, მით მეტია ელექტროენერგია, რომელიც წარმოიქმნება ფირფიტებს შორის.

ამასთან, საპირისპირო ელექტრული პოტენციალის გამოყენებისას, ელექტრონული მოძრაობის შეფერხების მიზნით, რომელიც ერთი ფირფიტიდან მეორეზე მიდის, შეინიშნება მინიმალური ელექტრული პოტენციალი (ვ₀), ე.წ. ჭრის პოტენციალი, რომლის დროსაც არცერთ ელექტრონს არ შეუძლია მიაღწიოს სხვა ფირფიტას. ეს მიუთითებს იმაზე, რომ კინეტიკური ენერგია, რომლითაც ელექტრონები ტოვებენ ფირფიტებს, არ არის დამოკიდებული სინათლის ინტენსივობაზე. ელექტრონების მაქსიმალური კინეტიკური ენერგია შეიძლება გამოითვალოს შემდეგი განტოლების გამოყენებით:

კ - ელექტრონების მაქსიმალური კინეტიკური ენერგია

და - ფუნდამენტური დატვირთვა (1.6.10^-19 ჩ)

ვ₀ - შემცირების პოტენციალი

ელექტრონ-ვოლტი

მას შემდეგ, რაც ელექტრონების კინეტიკური ენერგიის მოდულებს აქვს ძალიან დაბალი მოდულები, რომ ჯულით გაზომონ, ეს ენერგიის გაზომვები ჩვეულებრივ ხორციელდება სხვა გაცილებით მცირე ერთეულში, ელექტრონოლტი (eV). ელექტრონ-ვოლტი არის ელექტროენერგიის პოტენციური ენერგიის რაოდენობა, რომელსაც განიცდის დამუხტული ნაწილაკი, რომელსაც აქვს ყველაზე დაბალი არსებული მუხტის მნიშვნელობა,. ფუნდამენტური მუხტი, როდესაც მოთავსებულია ელექტრული პოტენციალის რეგიონში 1 ვ. აქედან გამომდინარე, 1 eV ექვივალენტურია 1.6.10^-19 ჯ.

ელექტრონ-ვოლტის გარდა, ხშირია ისეთი პრეფიქსების გამოყენება, როგორიცაა: keV (კილოელექტრონები-ვოლტი, 10³ ევ), მე ვ (მეგალექტრონ-ვოლტი, 10⁶ ევ), TeV (ტერაელექტრონი-ვოლტი, 10⁹ ევ) და ა.შ.

ფოტოელექტრული ეფექტის ტექნოლოგიური პროგრამები

ფოტოელექტრული ეფექტის ახსნის საფუძველზე გაჩნდა რამდენიმე ტექნოლოგიური პროგრამა. მათ შორის ყველაზე ცნობილი, ალბათ, ფოტოელექტრონული უჯრედებია. ეს უჯრედები არის ძირითადი ერთეულები მზის პანელები, მათი საშუალებით შესაძლებელია მოქცევა სინათლის ენერგია წელს ელექტრო მიმდინარე. გაეცანით მთავარი გამოგონებების ჩამონათვალს, რომელიც ეფუძნება ფოტოელექტრულ ეფექტს:

• ფოტო-ვოლტაური უჯრედები;

• რელეები;

• მოძრაობის სენსორები;

• ფოტორეზისტორები.

ამოხსნილი სავარჯიშოები

1) ნივთიერებას, როდესაც ანათებს 4 ელექტრონული ფოტონის საშუალებით, შეუძლია 6 ელექტრონული ენერგიის ელექტრონების განდევნა. განსაზღვრეთ ასეთი ნივთიერების მუშაობის ფუნქციის მოდული.

რეზოლუცია:

ამ რაოდენობის გამოსათვლელად გამოვიყენებთ სამუშაო ფუნქციის განტოლებას, გაითვალისწინეთ:

თუ განდევნილი ელექტრონების კინეტიკური ენერგია (K) უდრის 6 eV და ინციდენტიანი ფოტონების (E) ენერგია 4 eV, მაშინ გვექნება:

გაკეთებული გაანგარიშების თანახმად, ამ მასალის სამუშაო ფუნქცია, ანუ ელექტრონების განდევნის მინიმალური ენერგია არის 2 eV.

2) როდესაც ჩვენ გავაანთებთ მეტალის ფირფიტას, რომლის სამუშაო ფუნქციაა 7 eV, ჩვენ ვაკვირდებით 4 eV ენერგიის მქონე ელექტრონების განდევნას. Დადგინდეს:

ა) ინციდენტური ფოტონების ენერგია;

ბ) შემთხვევითი ფოტონის სიხშირე.

რეზოლუცია:

ა) განვსაზღვროთ ინციდენტის სინათლის ფოტონების ენერგია სამუშაო ფუნქციის საშუალებით:

ბ) ფოტონის სიხშირის გამოსათვლელად შეგვიძლია გამოვიყენოთ შემდეგი განტოლება:

სავარჯიშოებით გათვალისწინებული მონაცემების გათვალისწინებით, გვექნება შემდეგი გაანგარიშება:

რაფაელ ჰელერბროკის მიერ

წყარო: ბრაზილიის სკოლა - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm