O Het is gemaaktfoto-elektrisch is een natuurkundig fenomeen dat bestaat uit de emissie van elektronen door bepaalde materialen, meestal van metaal, wanneer ze worden verlicht door elektromagnetische golven van bepaalde frequenties. Bij dit fenomeen is de licht gedraagt zich als een deeltje, energie overdragen aan elektronen, die zijn which uitgeworpen uit het materiaal.
Samenvatting over foto-elektrisch effect
Fysiek fenomeen ontdekt door Heinrich Hertz in 1886;
Verklaard door Albert Einstein, in 1905, door de kwantisering van licht voorgesteld door Planck in 1900;
Elektronen worden alleen uitgestoten als de energie van de invallende fotonen groter is dan of gelijk is aan de werkfunctie van het materiaal;
De kinetische energie van de uitgestoten elektronen hangt alleen af van de frequentie van het invallende licht;
De lichtintensiteit heeft alleen invloed op het aantal elektronen dat per seconde wordt uitgeworpen.
Geschiedenis van het foto-elektrisch effect
Omstreeks 1886 schreef de Duitse natuurkundige
Heinrichhertz (1857-1894) voerden verschillende experimenten uit om het bestaan van elektromagnetische golven. Om dit te doen, produceerde Hertz ontladingen tussen twee elektroden, en soms realiseerde hij zich dat de kathode, wanneer verlicht, in staat was intensere elektrische ontladingen te produceren. Zonder het te weten had Hertz het foto-elektrisch effect ontdekt door de emissie van stralenkathode.Twee jaar na de waarnemingen van Hertz, JJThomson bewees dat de deeltjes die door de verlichte platen werden uitgezonden elektronen waren. daarom, thomson bewees dat de verhouding lading tot massa (e/m) van de kathodedeeltjes gelijk was aan die van de elektronen— deeltjes die hij een paar jaar eerder door hemzelf had ontdekt.
Kijkenook: De ontdekking van het elektron
In 1903, de assistent van Hertz, PhilippLenard, een reeks experimenten ontwikkeld om een relatie tussen de licht intensiteit en de elektronen energie uitgegeven, concludeerde Lenard dat er geen afhankelijkheid was tussen de twee dingen, wat volgens de toenmalige kennis van de natuurkunde te verwachten was. Een jaar later, Schweider hij kon bewijzen dat de kinetische energie van de elektronen die de metalen platen verlieten recht evenredig was met de frequentie van het licht dat ze verlichtte.
De experimenteel verkregen resultaten waren in tegenspraak met de klassieke theorie van elektromagnetisme en werd in die tijd ongeveer 18 jaar een grote uitdaging voor natuurkundigen. In het jaar van 1905, Einstein gebruik gemaakt van een voorstel van Planck, bevredigend uitleggen van de operatie van fotoëlektrisch effect. Het door Einstein gebruikte voorstel heet kwantisatie van het elektromagnetische veld. In het jaar 1900 probeerde Planck op alle mogelijke manieren de probleem met zwart lichaam body, en kon dit alleen doen door te suggereren dat licht werd gekwantiseerd, dat wil zeggen dat het energiewaarden had van veelvouden van een kleinere hoeveelheid. Hoewel Planck begreep dat zijn prestatie slechts een wiskundig apparaat was dat een fenomeen kon verklaren, natuurkundige, Einstein geloofde dat licht echt bestond uit een groot aantal deeltjes die energie. In de toekomst zouden dergelijke deeltjes heten fotonen.
Na de publicatie van zijn artikel over het foto-elektrisch effect kreeg Einstein in 1921 de Nobelprijs voor de natuurkunde.
Meer weten over:Wat zijn fotonen?
formules
Volgens de corpusculaire theorie van licht, voorgesteld door Planck en gebruikt door Einstein om het effect te verklaren foto-elektrisch, licht bestaat uit een groot aantal fotonen - massaloze deeltjes die een kleine hoeveelheid dragen. macht. Deze energie is evenredig met de frequentie van het licht en ook met de constante van Planck (h = 6.662.10-34 J.s), zoals weergegeven in de volgende vergelijking:
EN — foton energie
H - constante van Planckck
f — licht frequentie
Als de energie van een foton groot genoeg is, kan het elektronen uit het materiaal scheuren. De kinetische energie van een uitgestoten elektron kan worden berekend met behulp van de volgende vergelijking:
K — kinetische energie van elektronen
EN — foton energie
Φ — functie
Volgens de bovenstaande uitdrukking hangt de kinetische energie die wordt verkregen door de elektronen (K) af van de energie van de invallende fotonen (E) en ook van Φ (bezettingwerk). Deze hoeveelheid meet de hoeveelheid potentiële energie waarmee de elektronen aan het materiaal zijn gebonden, het is de minimale energie die nodig is om ze eruit te trekken. Daarom wordt alle overtollige energie overgedragen aan de elektronen in de vorm van energiekinetiek. Hier is het belangrijk om te beseffen dat de kinetische energie die door elektronen wordt verkregen afhangt van: uitsluitend geeft frequentie van invallend licht en niet de intensiteit van het uitgestraalde licht.
De frequentie van het licht, niet de intensiteit ervan, bepaalt of elektronen worden uitgestoten.
werk functie tafel
Bekijk de meten van de werkfunctie van sommige bekende materialen. Deze functie verwijst naar de minimale hoeveelheid energie die nodig is om elektronen van het oppervlak van het materiaal te scheuren:
Materiaal |
Functie (eV) |
Aluminium |
4,08 |
Koper |
4,7 |
Ijzer |
4,5 |
Platina |
6,35 |
Zilver |
4,73 |
Zink |
4,3 |
Foto-elektrisch effect experiment
Bekijk de onderstaande afbeelding, deze geeft een vereenvoudigd schema van de experimentele opstelling, gebruikt door Phillip Lenard, voor de studie van het foto-elektrisch effect:
Experimenteel schema gebruikt om het foto-elektrisch effect te bestuderen.
Het experiment bestond uit twee parallelle metalen platen die op een batterij waren aangesloten. In het circuit waren ampèremeters, gebruikt om de elektrische stroom tussen de twee platen te meten, en voltmeters, gebruikt om de elektrische spanning te meten die door de batterij wordt opgewekt.
Toen deze batterij werd verlicht door bepaalde lichtfrequenties, werden enkele elektronen uitgezonden door een van de platen, die positieve ladingen kregen (kathode). Bij versnelling door een potentiaalverschil van de batterij bereikten de elektronen de andere plaat. Deze elektrische stroom werd gemeten door de ampèremeter.
Lenard merkte op dat met toenemende lichtintensiteit er elke seconde meer elektronen werden uitgestoten. Door de frequentie van het door de lichtbron uitgestraalde licht constant te houden, veranderde de energie waarmee de elektronen werden uitgestoten echter niet. Kijk naar de grafiek hieronder:
De verzadigingsstroom komt overeen met het aantal elektronen dat elke seconde door de verlichte plaat wordt uitgestoten.
Bovenstaande figuur heeft betrekking op: elektrische stroom geproduceerd door elektronen, uitgestoten door de ene plaat en opgevangen door de andere plaat, met de elektrisch potentieel tussen hen opgericht. Door deze potentiaal toe te passen, bereikten de elektronen die net de plaat verlieten, zelfs zonder kinetische energie, de andere plaat. Wanneer alle uitgestoten elektronen de andere plaat bereiken, wordt de elektrische stroom is verzadigd, dat wil zeggen, het begint te blijven constante. Wat te zien is, is dat de verzadigingsstroom afhangt van de licht intensiteit: hoe groter de lichtintensiteit, hoe groter de elektrische stroom die tussen de platen wordt gevormd.
Bij het toepassen van een tegengesteld elektrisch potentiaal, om de beweging van de elektronen die van de ene plaat naar de andere gaan te vertragen, wordt echter waargenomen dat er een minimaal elektrisch potentiaal (V0), genaamd snijpotentieel, waarbij geen elektron de andere plaat kan bereiken. Dit geeft aan dat de kinetische energie waarmee de elektronen de platen verlaten niet afhankelijk is van de lichtintensiteit. De maximale kinetische energie van de elektronen kan worden berekend met behulp van de volgende vergelijking:
K — maximale kinetische energie van elektronen
en — fundamentele belasting (1.6.10-19 )
V0 — snijpotentieel
Electron-volt
Aangezien de kinetische energiemodules van elektronen modules hebben die te laag zijn om in Joules te worden gemeten, worden deze energiemetingen routinematig uitgevoerd in een andere veel kleinere eenheid, de elektron-volt (eV). De elektron-Volt is de hoeveelheid elektrische potentiële energie die wordt ervaren door een geladen deeltje met de laagste bestaande ladingswaarde, a fundamentele lading, wanneer geplaatst in een gebied met een elektrisch potentiaal gelijk aan 1 V. Daarom is 1 eV gelijk aan 1.6.10-19 J.
Naast het elektron-Volt is het gebruikelijk om voorvoegsels te gebruiken zoals: keV (kilo-elektronen-Volt, 103 ev), ik v (Mega-elektron-volt, 106 ev), TeV (tera-elektron-volt, 109 ev) enz.
Technologische toepassingen van het foto-elektrisch effect
Op basis van de verklaring van het foto-elektrisch effect ontstonden verschillende technologische toepassingen. De meest bekende daarvan zijn misschien wel de fotovoltaïsche cellen. Deze cellen zijn de basiseenheden van de zonnepanelen, via hen is het mogelijk bekeren De licht energie in elektrische stroom. Bekijk een lijst met de belangrijkste uitvindingen op basis van het foto-elektrisch effect:
Fotovoltaïsche cellen;
relais;
bewegingssensoren;
Fotoweerstanden.
opgeloste oefeningen
1) Een stof kan, wanneer belicht door fotonen van 4 eV, elektronen uitstoten met een energie van 6 eV. Bepaal de modulus van de werkfunctie van zo'n stof.
Resolutie:
We zullen de werkfunctievergelijking gebruiken om deze hoeveelheid te berekenen, let op:
Als de kinetische energie van de uitgestoten elektronen (K) gelijk is aan 6 eV en de energie van de invallende fotonen (E) gelijk aan 4 eV, dan hebben we:
Volgens de gemaakte berekening is de werkfunctie van dit materiaal, dat wil zeggen de minimale energie om de elektronen uit te werpen, 2 eV.
2) Wanneer we een metalen plaat verlichten waarvan de werkfunctie 7 eV is, observeren we de uitwerping van elektronen met energieën van 4 eV. Bepalen:
a) de energie van de invallende fotonen;
b) de frequentie van de invallende fotonen.
Resolutie:
a) Laten we de energie van de invallende lichtfotonen bepalen via de werkfunctie:
B) Om de frequentie van fotonen te berekenen, kunnen we de volgende vergelijking gebruiken:
Als we de gegevens van de oefening nemen, krijgen we de volgende berekening:
Door Rafael Hellerbrock
Bron: Brazilië School - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm