O Tas ir izgatavotsfotoelektrisks ir fiziska parādība, kas sastāv no elektronu emisijas no dažiem materiāliem, parasti metāla, kad tos apgaismo elektromagnētiskie viļņi noteiktas frekvences. Šajā fenomenā gaisma uzvedas kā a daļiņa, pārnesot enerģiju uz elektroniem, kas ir izmests no materiāla.
Kopsavilkums par fotoelektrisko efektu
Fizikāla parādība, ko atklāja Heinrihs Hercs 1886. gadā;
To izskaidroja Alberts Einšteins 1905. gadā, izmantojot gaismas kvantēšanu, ko Planks ierosināja 1900. gadā;
Elektroni tiek izstumti tikai tad, ja krītošo fotonu enerģija ir lielāka vai vienāda ar materiāla darba funkciju;
Izstumto elektronu kinētiskā enerģija ir atkarīga tikai no krītošās gaismas biežuma;
Gaismas intensitāte ietekmē tikai to, cik daudz elektronu tiek izstumti sekundē.
Fotoelektriskā efekta vēsture
Ap 1886. gadu vācu fiziķis Heinrihshercs (1857-1894) veica vairākus eksperimentus, lai parādītu elektromagnētiskie viļņi. Lai to izdarītu, Hercs radīja izlādes starp diviem elektrodiem, un dažreiz viņš pamanīja, ka, apgaismojot, katods spēj radīt intensīvākas elektriskās izlādes. Nezinot to, Hercs bija atklājis fotoelektrisko efektu, izmantojot
starikatods.Divus gadus pēc Herca novērojumiem Dž.D.Thomsons pierādīja, ka apgaismoto plākšņu izstarotās daļiņas bija elektroni. Tāpēc tomsons pierādīja, ka katoda daļiņu lādiņa un masas attiecība (e / m) bija vienāda ar katoda daļiņu lādiņa un masas (e / m) attiecību elektroni- daļiņas, kuras viņš pats ir atklājis dažus gadus agrāk.
Skatiesarī: Elektrona atklāšana
1903. gadā Herca palīgs, FilipsLenards, izstrādāja virkni eksperimentu, lai izveidotu a attiecības starp gaismas intensitāte un elektronu enerģija izdots, Lenards secināja, ka starp abām lietām nav atkarības, kas bija sagaidāms, saskaņā ar tā laika fizikas zināšanām. Pēc viena gada, Schweilder viņš spēja pierādīt, ka elektronu kinētiskā enerģija, kas atstāj metāla plāksnes, ir tieši proporcionāla tos apgaismojošajai gaismas frekvencei.
Iegūtie rezultāti eksperimentāli bija pretrunā ar klasisko teoriju elektromagnētisms un kļuva par galveno fiziķu izaicinājumu tajā laikā apmēram 18 gadus. Gadā 1905, Einšteins izmantoja priekšlikumu, ko iesniedza Planck, apmierinoši izskaidrojot darbība gada fotoelektriskais efekts. Tiek saukts Einšteina izmantotais priekšlikums elektromagnētiskā lauka kvantēšana. 1900. gadā Planks visādā ziņā mēģināja izskaidrot melnā ķermeņa jautājums, un to varēja izdarīt tikai, liekot domāt, ka gaisma tika kvantēta, tas ir, ka tai bija enerģētiskās vērtības, kas reizinātas ar mazāku daudzumu. Lai gan Planks saprata, ka viņa varoņdarbs ir tikai matemātiska ierīce, kas spēj izskaidrot parādību fiziķis, Einšteins uzskatīja, ka gaismu patiešām veido liels skaits ar apveltītām daļiņām enerģija. Nākotnē šādas daļiņas tiktu sauktas fotoni.
Pēc raksta par fotoelektrisko efektu publicēšanas Einšteinam 1921. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.
Uzziniet vairāk par:Kas ir fotoni?
Formulas
Saskaņā ar gaismas korpuskulāro teoriju, ko ierosināja Planks un Einšteins izmantoja efekta izskaidrošanai fotoelektrisko, gaismu veido liels skaits fotonu - bezmasas daļiņas, kas nes nelielu daudzumu. jauda. Šī enerģija ir proporcionāla gaismas biežumam un arī Plankas konstantei (h = 6,662,10-34 J.s), kā parādīts šādā vienādojumā:
UN - fotonu enerģija
H - Planka pastāvīgais
f - gaismas frekvence
Ja fotona enerģija ir pietiekami liela, tas var izrāpt elektronus no materiāla. Izstumtā elektrona kinētisko enerģiju var aprēķināt, izmantojot šādu vienādojumu:
K - elektronu kinētiskā enerģija
UN - fotonu enerģija
Φ - darba funkcija
Saskaņā ar iepriekš minēto izteiksmi, kinetiskā enerģija, ko iegūst elektroni (K), ir atkarīga no krītošā fotona enerģijas (E) un arī no Φ (nodarbošanāsdarbs). Šis daudzums mēra potenciālās enerģijas daudzumu, ar kuru elektroni ir saistīti ar materiālu, tā ir minimālā enerģija, kas nepieciešama to izvilkšanai. Tāpēc visa liekā enerģija tiek pārnesta uz elektroniem formā enerģijakinētika. Šeit ir svarīgi saprast, ka elektronu iegūtā kinētiskā enerģija ir atkarīga no tā tikai dod krītošās gaismas frekvence nevis izstarotās gaismas intensitāte.
Gaismas frekvence, nevis tās intensitāte nosaka, vai elektroni tiks izstumti.
darba funkciju tabula
Pārbaudiet mērs dažu zināmu materiālu darba funkcija. Šī funkcija attiecas uz minimālais daudzums enerģija, kas nepieciešama elektronu noplēšanai no materiāla virsmas
Materiāls |
Darba funkcija (eV) |
Alumīnijs |
4,08 |
Varš |
4,7 |
Dzelzs |
4,5 |
Platīns |
6,35 |
Sudrabs |
4,73 |
Cinks |
4,3 |
Fotoelektriskā efekta eksperiments
Ievērojiet zemāk redzamo attēlu, kurā parādīta vienkāršota eksperimentālā režīma shēma, ko Phillip Lenard izmantoja fotoelektriskā efekta izpētei:
Eksperimentālā shēma, ko izmanto fotoelektriskā efekta izpētei.
Eksperiments sastāvēja no divām paralēlām metāla plāksnēm, kas savienotas ar akumulatoru. Ķēdē bija ampēri, izmanto elektriskās strāvas mērīšanai starp abām plāksnēm un voltmetri, ko izmanto, lai izmērītu akumulatora noteikto elektrisko spriegumu.
Kad šo akumulatoru apgaismoja noteiktas gaismas frekvences, dažus elektronus izstaroja viena no plāksnēm, kas ieguva pozitīvus lādiņus (katodu). Paātrinot akumulatora radīto potenciālo starpību, elektroni sasniedza otru plāksni. Šo elektrisko strāvu mēra ar ampermetru.
Lenards pamanīja, ka, palielinoties gaismas intensitātei, katru sekundi tika izstumti vairāk elektronu. Tomēr, saglabājot nemainīgu gaismas avota izstarotās gaismas frekvenci, enerģija, ar kuru tika izstumti elektroni, nemainījās. Apskatiet zemāk redzamo diagrammu:
Piesātinājuma strāva atbilst elektronu skaitam, ko katru sekundi izstaro apgaismotā plāksne.
Iepriekš redzamais skaitlis attiecas uz elektriskā strāva ko ražo elektroni, izstumj viena plāksne un uztver otra plāksne, ar elektriskais potenciāls starp tiem. Pielietojot šo potenciālu, elektroni, kas tikko pameta plāksni, pat ar nulles kinētisko enerģiju, sasniedza otru plāksni. Kad visi izstumtie elektroni sasniedz otru plāksni, elektriskā strāva ir piesātināts, tas ir, tas sāk palikt nemainīgs. Var redzēt, ka piesātinājuma strāva ir atkarīga no gaismas intensitāte: jo lielāka ir gaismas intensitāte, jo lielāka elektriskā strāva veidojas starp plāksnēm.
Tomēr, pielietojot pretēju elektrisko potenciālu, lai aizkavētu elektronu kustību, kas iet no vienas plāksnes uz otru, tiek novērots, ka pastāv minimālais elektriskais potenciāls (V0), piezvanīja griešanas potenciāls, pie kura neviens elektrons nevar sasniegt otru plāksni. Tas norāda, ka kinētiskā enerģija, ar kuru elektroni atstāj plāksnes, nav atkarīga no gaismas intensitātes. Elektronu maksimālo kinētisko enerģiju var aprēķināt, izmantojot šādu vienādojumu:
K - elektronu maksimālā kinētiskā enerģija
un - pamatslodze (1.6.10-19 Ç)
V0 - griešanas potenciāls
Elektrons-Volt
Tā kā elektronu kinētiskās enerģijas moduļiem ir pārāk zemi moduļi, lai tos varētu izmērīt Džoulos, šie enerģijas mērījumi parasti tiek veikti citā daudz mazākā vienībā, elektronvolts (eV). Elektrons-Volt ir elektriskās potenciālās enerģijas daudzums, ko piedzīvo lādēta daļiņa ar zemāko esošo uzlādes vērtību - fundamentāla maksa, ievietojot elektriskā potenciāla apgabalā, kas vienāds ar 1 V. Tāpēc 1 eV ir ekvivalents 1.6.10-19 Dž.
Papildus elektronam Voltam parasti tiek izmantoti tādi priedēkļi kā: keV (kiloelektroni-volti, 103 eV), Es v (Megaelektronvolti, 106 eV), TeV (teraelektrons-volts, 109 eV) utt.
Fotoelektriskā efekta tehnoloģiskie pielietojumi
Balstoties uz fotoelektriskā efekta skaidrojumu, parādījās vairākas tehnoloģiskas lietojumprogrammas. Slavenākais no tiem, iespējams, ir fotoelementi. Šīs šūnas ir saules paneļi, caur tiem tas ir iespējams konvertēt The gaismas enerģija iekšā elektriskā strāva. Pārbaudiet galveno izgudrojumu sarakstu, pamatojoties uz fotoelektrisko efektu:
Fotoelektriskās šūnas;
Releji;
kustības sensori;
Fotorezistori.
atrisināti vingrinājumi
1) Viela, ko apgaismo 4 eV fotoni, spēj izstumt elektronus ar 6 eV enerģiju. Nosakiet šādas vielas darba funkcijas moduli.
Izšķirtspēja:
Lai aprēķinātu šo daudzumu, mēs izmantosim darba funkcijas vienādojumu, ņemiet vērā:
Ja izstumto elektronu (K) kinētiskā enerģija ir vienāda ar 6 eV un krītošo fotonu enerģija (E) ir vienāda ar 4 eV, mums būs:
Saskaņā ar veikto aprēķinu šī materiāla darba funkcija, tas ir, minimālā enerģija elektronu izstumšanai, ir 2 eV.
2) Apgaismojot metāla plāksni, kuras darba funkcija ir 7 eV, mēs novērojam elektronu izstumšanu ar 4 eV enerģiju. Nosakiet:
a) krītošo fotonu enerģija;
b) krītošo fotonu biežums.
Izšķirtspēja:
a) Nosakiet krītošo gaismas fotonu enerģiju, izmantojot darba funkciju:
B) Lai aprēķinātu fotonu biežumu, mēs varam izmantot šādu vienādojumu:
Ņemot vērā vingrinājuma sniegtos datus, mums tiks veikts šāds aprēķins:
Autors Rafaels Hellerbroks
Avots: Brazīlijas skola - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm