O Den er lagetfotoelektrisk er et fysisk fenomen som består av utslipp av elektroner av visse materialer, vanligvis metalliske, når de blir belyst av elektromagnetiske bølger av spesifikke frekvenser. I dette fenomenet, den lys oppfører seg som en partikkel, overføre energi til elektroner, som er kastet ut ut av materialet.
Sammendrag om fotoelektrisk effekt
Fysisk fenomen oppdaget av Heinrich Hertz i 1886;
Forklart av Albert Einstein, i 1905, gjennom kvantisering av lys foreslått av Planck i 1900;
Elektroner kastes bare ut hvis energien til de innfallende fotonene er større enn eller lik materialets arbeidsfunksjon;
Den kinetiske energien til de utkastede elektronene avhenger bare av frekvensen av det innfallende lyset;
Lysintensitet påvirker bare hvor mange elektroner som kastes ut hvert sekund.
Ikke stopp nå... Det er mer etter annonseringen;)
Historie om den fotoelektriske effekten
Rundt 1886, den tyske fysikeren Heinrichhertz (1857-1894) utførte flere eksperimenter for å demonstrere eksistensen av
elektromagnetiske bølger. For å gjøre det produserte Hertz utladninger mellom to elektroder, og til tider innså han at katoden var i stand til å produsere mer intense elektriske utladninger når den var opplyst. Uten å vite det, hadde Hertz oppdaget den fotoelektriske effekten gjennom utslipp av strålerkatode.To år etter Hertz observasjoner, J.J. Thomson beviste at partiklene som sendes ut av de opplyste platene var elektroner. Derfor, thomson beviste at forholdet mellom ladning og masse (e / m) av katodepartiklene var lik det for elektroner- partikler oppdaget av ham selv noen år tidligere.
Seogså: Oppdagelsen av elektronet
I 1903, Hertzs assistent, PhilippLenard, utviklet en serie eksperimenter for å etablere en forhold mellom lysintensitet og elektronenergi utstedt, konkluderte Lenard med at det ikke var noen avhengighet mellom de to tingene, noe som var å forvente, i henhold til kunnskapen om fysikk på den tiden. Ett år senere, Schweilder han var i stand til å bevise at den kinetiske energien til elektronene som forlater metallplatene var direkte proporsjonal med lysfrekvensen som opplyste dem.
Resultatene oppnådd motsatte eksperimentelt den klassiske teorien om elektromagnetisme og ble en stor utfordring for fysikere på den tiden i omtrent 18 år. I året 1905, Einstein benyttet seg av et forslag presentert av Planck, forklarer tilfredsstillende operasjon av fotoelektrisk effekt. Forslaget som Einstein bruker kalles kvantisering av det elektromagnetiske feltet. I år 1900 prøvde Planck på alle måter å forklare svart kroppsproblem, og var bare i stand til å gjøre det ved å antyde at lyset ble kvantisert, det vil si at det hadde energiverdier multipler av en mindre mengde. Selv om Planck forsto at hans prestasjon bare var et matematisk apparat som kunne forklare et fenomen fysiker, Einstein mente at lys virkelig besto av et stort antall partikler som hadde energi. I fremtiden vil slike partikler bli kalt fotoner.
Etter publiseringen av sin artikkel om den fotoelektriske effekten ble Einstein tildelt Nobelprisen i fysikk i 1921.
Lær mer om:Hva er fotoner?
Formler
I henhold til den korpuskulære teorien om lys, foreslått av Planck og brukt av Einstein for å forklare effekten fotoelektrisk, lys består av et stort antall fotoner - masseløse partikler som bærer en liten mengde. makt. Denne energien er proporsjonal med lysfrekvensen og også til Plancks konstant (h = 6,662.10-34 J.s), som vist i følgende ligning:
OG - fotonenergi
H - Planck er konstant
f - lysfrekvens
Hvis energien til et foton er stor nok, kan den rive elektroner ut av materialet. Den kinetiske energien til et utkastet elektron kan beregnes ved hjelp av følgende ligning:
K - kinetisk energi til elektroner
OG - fotonenergi
Φ - Jobbfunksjon
Ifølge uttrykket ovenfor avhenger den kinetiske energien som er innhentet av elektronene (K) av energien til de innfallende fotonene (E) og også av Φ (yrkearbeid). Denne mengden måler mengden potensiell energi som elektronene er bundet til materialet, det er den minste energien som trengs for å trekke dem ut. Derfor overføres all overflødig energi til elektronene i form av energikinetikk. Her er det viktig å innse at den kinetiske energien ervervet av elektroner avhenger av utelukkende gir innfallende lysfrekvens og ikke intensiteten til lyset som sendes ut.
Frekvensen av lys, ikke intensiteten, avgjør om elektroner skal kastes ut.
arbeidsfunksjonstabell
Sjekk ut måle av arbeidsfunksjonen til noen kjente materialer. Denne funksjonen refererer til minimumsmengde av energi som kreves for at elektroner skal bli revet fra overflaten av materialet:
Materiale |
Jobbfunksjon (eV) |
Aluminium |
4,08 |
Kobber |
4,7 |
Jern |
4,5 |
Platina |
6,35 |
Sølv |
4,73 |
Sink |
4,3 |
Fotoelektrisk effekteksperiment
Observer figuren nedenfor, den presenterer et forenklet oppsett av den eksperimentelle ordningen, brukt av Phillip Lenard, for studiet av den fotoelektriske effekten:
Eksperimentell ordning brukt til å studere den fotoelektriske effekten.
Eksperimentet besto av to parallelle metallplater koblet til et batteri. I kretsen var det ammetere, brukes til å måle den elektriske strømmen mellom de to platene, og voltmetre, brukes til å måle den elektriske spenningen som er etablert av batteriet.
Da dette batteriet ble opplyst av visse lysfrekvenser, ble det sendt ut noen elektroner av en av platene, som fikk positive ladninger (katode). Når de akselereres av en potensiell forskjell fra batteriet, nådde elektronene den andre platen. Denne elektriske strømmen ble målt av amperemeteret.
Lenard la merke til at flere elektroner ble kastet ut hvert sekund med økende lysintensitet. Imidlertid, for å holde frekvensen av lys som sendes ut av lyskilden konstant, endret ikke energien elektronene ble kastet ut med. Se på diagrammet nedenfor:
Metningsstrømmen tilsvarer antall elektroner som kastes ut av den opplyste platen hvert sekund.
Figuren ovenfor gjelder elektrisk strøm produsert av elektroner, kastet ut av en plate og fanget av den andre plate, med elektrisk potensial etablert mellom dem. Ved å bruke dette potensialet nådde elektronene som nettopp forlot platen, selv med null kinetisk energi, den andre platen. Når alle de utkastede elektronene når den andre platen, den elektriske strømmen er mettet, det vil si at det begynner å forbli konstant. Det som kan sees er at metningsstrømmen avhenger av lysintensitet: jo større lysintensitet, jo større er den elektriske strømmen som dannes mellom platene.
For å forsinke bevegelsen til elektronene som går fra en plate til den andre, observeres det imidlertid at det er en minimum elektrisk potensial (V0), kalt kuttepotensial, hvor ingen elektron kan nå den andre platen. Dette indikerer at den kinetiske energien som elektronene forlater platene ikke er avhengig av lysintensitet. Elektronenes maksimale kinetiske energi kan beregnes ved hjelp av følgende ligning:
K - maksimal kinetisk energi til elektroner
og - grunnleggende belastning (1.6.10-19 Ç)
V0 - kuttepotensial
Elektron-Volt
Siden kinetiske energimoduler til elektroner har moduler for lave til å kunne måles i Joule, blir disse energimålingene rutinemessig utført i en annen mye mindre enhet, elektronvolt (eV). Elektron-Volt er mengden elektrisk potensiell energi som oppleves av en ladet partikkel med den laveste eksisterende ladningsverdien, a grunnleggende avgift, når den plasseres i et område med elektrisk potensial lik 1 V. Derfor tilsvarer 1 eV 1.6.10-19 J.
I tillegg til elektron-Volt er det vanlig å bruke prefikser som: keV (kiloelektroner-volt, 103 eV), Me v (Megaelectron-Volts, 106 eV), TeV (teraelektron-volt, 109 eV) etc.
Teknologiske anvendelser av den fotoelektriske effekten
Flere teknologiske applikasjoner dukket opp basert på forklaringen på den fotoelektriske effekten. Den mest berømte av dem er kanskje solcellene. Disse cellene er basisenhetene til solcellepaneler, gjennom dem er det mulig å konvertere De lysenergi i elektrisk strøm. Sjekk ut en liste over hovedoppfinnelsene basert på den fotoelektriske effekten:
Fotovoltaiske celler;
Stafetter;
bevegelsessensorer;
Fotoresistorer.
løste øvelser
1) Et stoff, når det belyses av fotoner på 4 eV, er i stand til å kaste ut elektroner med energi på 6 eV. Bestem modulen til arbeidsfunksjonen til et slikt stoff.
Vedtak:
Vi vil bruke arbeidsfunksjonsligningen til å beregne denne mengden, merk:
Hvis den kinetiske energien til de utkastede elektronene (K) er lik 6 eV og energien til de innfallende fotonene (E) lik 4 eV, vil vi ha:
I henhold til beregningen er arbeidsfunksjonen til dette materialet, det vil si minimumsenergien for å kaste ut elektronene, 2 eV.
2) Når vi belyser en metallplate hvis arbeidsfunksjon er 7 eV, observerer vi utstøtning av elektroner med energier på 4 eV. Fastslå:
a) energien til de innfallende fotonene;
b) hyppigheten av innfallende fotoner.
Vedtak:
a) La oss bestemme energien til innfallende lysfotoner gjennom arbeidsfunksjonen:
B) For å beregne frekvensen av fotoner, kan vi bruke følgende ligning:
Når vi tar dataene fra øvelsen, har vi følgende beregning:
Av Rafael Hellerbrock
