O To jest zrobionefotoelektryczny jest zjawiskiem fizycznym, które polega na emisji elektronów przez określone materiały, zwykle metaliczne, przy oświetleniu fale elektromagnetyczne określonych częstotliwości. W tym zjawisku lekki zachowuje się jak cząstka, przekazując energię elektronom, które są wyrzucony z materiału.
Podsumowanie efektu fotoelektrycznego
Zjawisko fizyczne odkryte przez Heinricha Hertza w 1886 roku;
Wyjaśnione przez Alberta Einsteina w 1905, poprzez kwantyzację światła zaproponowaną przez Plancka w 1900;
Elektrony są wyrzucane tylko wtedy, gdy energia padających fotonów jest większa lub równa funkcji pracy materiału;
Energia kinetyczna wyrzucanych elektronów zależy tylko od częstotliwości padającego światła;
Intensywność światła wpływa tylko na to, ile elektronów jest wyrzucanych na sekundę.
Historia efektu fotoelektrycznego
Około 1886 r. niemiecki fizyk Henrykaherc (1857-1894) przeprowadził kilka eksperymentów w celu wykazania istnienia fale elektromagnetyczne. Aby to zrobić, Hertz wytwarzał wyładowania między dwiema elektrodami, a czasami zdał sobie sprawę, że po oświetleniu katoda może wytwarzać bardziej intensywne wyładowania elektryczne. Nie wiedząc o tym, Hertz odkrył efekt fotoelektryczny poprzez emisję
promieniekatoda.Dwa lata po obserwacjach Hertza J.J.Thomson dowiodło, że cząstki emitowane przez oświetlone płytki są elektronami. W związku z tym, Thomson wykazali, że stosunek ładunku do masy (e/m) cząstek katodowych był równy stosunkowi elektrony— cząstki odkryte przez niego kilka lat wcześniej.
Popatrzrównież: Odkrycie elektronu
W 1903 r. asystent Hertza, FilipLenardzie, opracowała serię eksperymentów w celu ustalenia związek pomiędzy natężenie światła i energia elektronów Wydane, Lenard doszedł do wniosku, że nie ma zależności między tymi dwiema rzeczami, czego należało się spodziewać, zgodnie z ówczesną wiedzą fizyki. Rok później, Schweilder był w stanie udowodnić, że energia kinetyczna elektronów opuszczających metalowe płytki była wprost proporcjonalna do częstotliwości światła, które je oświetlało.
Uzyskane wyniki eksperymentalnie zaprzeczały klasycznej teorii elektromagnetyzm i stał się wówczas dużym wyzwaniem dla fizyków na około 18 lat. W roku 1905, Einstein skorzystał z propozycji przedstawionej przez Planck, zadowalająco wyjaśniając operacja z efekt fotoelektryczny. Propozycja zastosowana przez Einsteina nosi nazwę kwantyzacja pola elektromagnetycznego. W roku 1900 Planck próbował w każdy sposób wyjaśnić problem z czarnym ciałem, i mógł to zrobić jedynie sugerując, że światło jest skwantowane, to znaczy, że ma wartości energii wielokrotności mniejszej ilości. Chociaż Planck rozumiał, że jego wyczyn był tylko matematycznym urządzeniem zdolnym do wyjaśnienia zjawiska fizyk Einstein uważał, że światło w rzeczywistości zostało utworzone przez dużą liczbę cząstek obdarzonych energia. W przyszłości takie cząstki miałyby się nazywać fotony.
Po opublikowaniu swojego artykułu na temat efektu fotoelektrycznego Einstein otrzymał w 1921 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Dowiedz się więcej o:Czym są fotony?
Formuły
Zgodnie z korpuskularną teorią światła zaproponowaną przez Plancka i użytą przez Einsteina do wyjaśnienia tego efektu fotoelektryczne światło składa się z dużej liczby fotonów — bezmasowych cząstek, które przenoszą niewielką ilość. moc. Energia ta jest proporcjonalna do częstotliwości światła, a także do stałej Plancka (h = 6,662,10-34 J.s), jak pokazano w następującym równaniu:
I — energia fotonowa
H — stała Plancka
fa — częstotliwość światła
Jeśli energia fotonu jest wystarczająco duża, może wyrwać elektrony z materiału. Energię kinetyczną wyrzuconego elektronu można obliczyć za pomocą następującego równania:
K — energia kinetyczna elektronów
I — energia fotonowa
Φ - Stanowisko
Zgodnie z powyższym wyrażeniem energia kinetyczna uzyskiwana przez elektrony (K) zależy od energii padających fotonów (E) oraz od Φ (zawódpraca). Ta ilość mierzy ilość energii potencjalnej, jaką elektrony są związane z materiałem, jest to minimalna energia potrzebna do ich wyciągnięcia. Dlatego cała nadwyżka energii jest przekazywana elektronom w postaci energiakinetyka. Tutaj ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że energia kinetyczna nabyta przez elektrony zależy od wyłącznie daje częstotliwość padającego światła a nie intensywność emitowanego światła.
Częstotliwość światła, a nie jego intensywność, decyduje o tym, czy elektrony zostaną wyrzucone.
Tabela funkcji pracy
Sprawdź pomiar funkcji pracy niektórych znanych materiałów. Ta funkcja odnosi się do minimalna ilość energii potrzebnej do wyrwania elektronów z powierzchni materiału:
Materiał |
Stanowisko pracy (eV) |
Aluminium |
4,08 |
Miedź |
4,7 |
Żelazo |
4,5 |
Platyna |
6,35 |
Srebro |
4,73 |
Cynk |
4,3 |
Eksperyment z efektem fotoelektrycznym
Spójrz na poniższy rysunek, który przedstawia uproszczony schemat układu eksperymentalnego, zastosowanego przez Phillipa Lenarda do badania efektu fotoelektrycznego:
Schemat eksperymentalny wykorzystany do badania efektu fotoelektrycznego.
Eksperyment składał się z dwóch równoległych metalowych płyt połączonych z baterią. W obwodzie były amperomierze, służy do pomiaru prądu elektrycznego między dwiema płytkami i woltomierze, używany do pomiaru napięcia elektrycznego ustalonego przez akumulator.
Kiedy ta bateria została oświetlona pewnymi częstotliwościami światła, część elektronów została wyemitowana przez jedną z płytek, która uzyskała ładunki dodatnie (katoda). Przyspieszone przez różnicę potencjałów zapewnianą przez baterię elektrony dotarły do drugiej płytki. Ten prąd elektryczny był mierzony amperomierzem.
Lenard zauważył, że wraz ze wzrostem natężenia światła co sekundę wyrzucanych jest coraz więcej elektronów. Jednak utrzymując stałą częstotliwość światła emitowanego przez źródło światła, energia z jaką wyrzucane były elektrony nie zmieniała się. Spójrz na poniższy wykres:
Prąd nasycenia odpowiada liczbie elektronów wyrzucanych co sekundę przez podświetlaną płytkę.
Powyższy rysunek dotyczy prąd elektryczny wytwarzane przez elektrony, wyrzucane przez jedną płytkę i przechwytywane przez drugą płytkę, z potencjał elektryczny ustanowiony między nimi. Dzięki zastosowaniu tego potencjału elektrony, które właśnie opuściły płytkę, nawet przy zerowej energii kinetycznej, dotarły do drugiej płytki. Kiedy wszystkie wyrzucone elektrony dotrą do drugiej płytki, prąd elektryczny jest nasycony, to znaczy zaczyna pozostawać stały. Widać, że prąd nasycenia zależy od natężenie światła: im większe natężenie światła, tym większy prąd elektryczny wytwarzany między płytami.
Jednak przy zastosowaniu przeciwnego potencjału elektrycznego, aby opóźnić ruch elektronów przechodzących z jednej płytki na drugą, obserwuje się minimalny potencjał elektryczny (V0), nazywa potencjał cięcia, dzięki czemu żaden elektron nie może dotrzeć do drugiej płytki. Wskazuje to, że energia kinetyczna, z jaką elektrony opuszczają płytki, nie zależy od natężenia światła. Maksymalną energię kinetyczną elektronów można obliczyć za pomocą następującego równania:
K — maksymalna energia kinetyczna elektronów
i — obciążenie podstawowe (1.6.10-19 DO)
V0 — potencjał cięcia
elektron-wolt
Ponieważ moduły energii kinetycznej elektronów mają moduły zbyt niskie, aby można je było zmierzyć w dżulach, te pomiary energii są rutynowo wykonywane w innej znacznie mniejszej jednostce, elektronowolt (eV). Elektronowolt to ilość energii potencjalnej, której doświadcza naładowana cząstka o najniższej istniejącej wartości ładunku, a opłata podstawowa, po umieszczeniu w obszarze o potencjale elektrycznym równym 1 V. Dlatego 1 eV odpowiada 1,6.10-19 JOT.
Oprócz elektron-wolta często używa się przedrostków, takich jak: keV (kiloelektrony-wolty, 103 eV), ja v (Megaelektron-wolty, 106 eV), TeV (teraelektron-wolty, 109 eV) itp.
Zastosowania technologiczne efektu fotoelektrycznego
W oparciu o wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego pojawiło się kilka zastosowań technologicznych. Najbardziej znanym z nich są być może ogniwa fotowoltaiczne. Te komórki są podstawowymi jednostkami panele słoneczne, dzięki nim jest to możliwe przekonwertować na energia świetlna w prąd elektryczny. Sprawdź listę głównych wynalazków opartych na efekcie fotoelektrycznym:
Ogniwa fotowoltaiczne;
Przekaźniki;
czujniki ruchu;
Fotorezystory.
rozwiązane ćwiczenia
1) Substancja oświetlona fotonami o energii 4 eV jest zdolna do wyrzucania elektronów o energii 6 eV. Określ moduł funkcji pracy takiej substancji.
Rozkład:
Do obliczenia tej wielkości użyjemy równania funkcji pracy, zwróć uwagę:
Jeżeli energia kinetyczna wyrzucanych elektronów (K) jest równa 6 eV, a energia padających fotonów (E) równa 4 eV, otrzymamy:
Zgodnie z dokonanymi obliczeniami funkcja pracy tego materiału, czyli minimalna energia do wyrzucenia elektronów, wynosi 2 eV.
2) Gdy oświetlimy metalową płytkę, której funkcja pracy wynosi 7 eV, obserwujemy wyrzucanie elektronów o energiach 4 eV. Określać:
a) energia padających fotonów;
b) częstotliwość padających fotonów.
Rozkład:
a) Wyznaczmy energię fotonów światła padającego poprzez funkcję pracy:
B) Aby obliczyć częstotliwość fotonów, możemy użyć następującego równania:
Na podstawie danych dostarczonych w ćwiczeniu otrzymamy następującą kalkulację:
Rafael Hellerbrock
Źródło: Brazylia Szkoła - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm