O Este făcutfotoelectric este un fenomen fizic care constă în emisia de electroni de către anumite materiale, de obicei metalice, atunci când sunt iluminate de undele electromagnetice a frecvențelor specifice. În acest fenomen, ușoară se comportă ca un particule, transferând energie către electroni, care sunt aruncat din material.
Rezumatul efectului fotoelectric
Fenomen fizic descoperit de Heinrich Hertz în 1886;
Explicat de Albert Einstein, în 1905, prin cuantificarea luminii propusă de Planck în 1900;
Electronii sunt expulzați numai dacă energia fotonilor incidenți este mai mare sau egală cu funcția de lucru a materialului;
Energia cinetică a electronilor expulzați depinde doar de frecvența luminii incidente;
Intensitatea luminii afectează doar câți electroni sunt expulzați în fiecare secundă.
Nu te opri acum... Există mai multe după publicitate;)
Istoria efectului fotoelectric
În jurul anului 1886, fizicianul german Heinrichhertz (1857-1894) au efectuat mai multe experimente pentru a demonstra existența
undele electromagnetice. Pentru a face acest lucru, Hertz a produs descărcări între doi electrozi și, uneori, și-a dat seama că, atunci când este iluminat, catodul era capabil să producă descărcări electrice mai intense. Fără să știe acest lucru, Hertz descoperise efectul fotoelectric, prin emisia de razecatod.La doi ani după observațiile lui Hertz, J.J.Thomson a dovedit că particulele emise de plăcile iluminate erau electroni. Prin urmare, thomson a demonstrat că raportul sarcină / masă (e / m) al particulelor de catod era egal cu cel al electroni- particule descoperite de el cu câțiva ani mai devreme.
Uitede asemenea: Descoperirea electronului
În 1903, asistentul lui Hertz, PhilippLenard, a dezvoltat o serie de experimente în scopul stabilirii unui relaţie între intensitatea luminii si energia electronilor emis, Lenard a concluzionat că nu există nicio dependență între cele două lucruri, ceea ce era de așteptat, conform cunoștințelor fizicii de la acea vreme. Un an mai târziu, Schweilder a reușit să demonstreze că energia cinetică a electronilor care părăsesc plăcile metalice era direct proporțională cu frecvența luminii care le lumina.
Rezultatele obținute au contrazis experimental teoria clasică a electromagnetism și a devenit o provocare majoră pentru fizicienii de atunci de aproximativ 18 ani. În anul de 1905, Einstein a făcut uz de o propunere prezentată de Planck, explicând în mod satisfăcător Operațiune de efect fotoelectric. Se numește propunerea folosită de Einstein cuantificarea câmpului electromagnetic. În anul 1900, Planck a încercat, în toate modurile, să explice problema corpului negru, și a reușit să facă acest lucru doar sugerând că lumina a fost cuantificată, adică a avut valori energetice multiple ale unei cantități mai mici. Deși Planck a înțeles că isprava sa a fost doar un dispozitiv matematic capabil să explice un fenomen fizician, Einstein credea că lumina era într-adevăr formată dintr-un număr mare de particule care aveau energie. În viitor, astfel de particule vor ajunge să fie numite fotoni.
După publicarea articolului său despre efectul fotoelectric, Einstein a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1921.
Aflați mai multe despre:Ce sunt fotonii?
Formule
Conform teoriei corpusculare a luminii, propusă de Planck și folosită de Einstein pentru a explica efectul fotoelectric, lumina este alcătuită dintr-un număr mare de fotoni - particule fără masă care transportă o cantitate mică. putere. Această energie este proporțională cu frecvența luminii și, de asemenea, cu constanta lui Planck (h = 6.662.10-34 J.s), așa cum se arată în următoarea ecuație:
ȘI - energia fotonică
H - Constanta lui Planck
f - frecvența luminii
Dacă energia unui foton este suficient de mare, poate smulge electroni din material. Energia cinetică a unui electron expulzat poate fi calculată utilizând următoarea ecuație:
K - energia cinetică a electronilor
ȘI - energia fotonică
Φ - Funcție
Conform expresiei de mai sus, energia cinetică dobândită de electroni (K) depinde de energia fotonilor incidenți (E) și, de asemenea, de Φ (ocupaţiemuncă). Această cantitate măsoară cantitatea de energie potențială prin care electronii sunt legați de material, este energia minimă necesară pentru a-i extrage. Prin urmare, toată energia în exces este transferată către electroni sub formă de energiecinetica. Aici este important să ne dăm seama că energia cinetică dobândită de electroni depinde de exclusiv dă frecvența luminii incidente și nu intensitatea luminii emise.
Frecvența luminii, nu intensitatea ei, determină dacă electronii vor fi ejectați.
tabelul de funcții de lucru
Verificați măsura a funcției de lucru a unor materiale cunoscute. Această funcție se referă la cantitate minima de energie necesară pentru ca electronii să fie smulși de pe suprafața materialului:
Material |
Funcția job (eV) |
Aluminiu |
4,08 |
Cupru |
4,7 |
Fier |
4,5 |
Platină |
6,35 |
Argint |
4,73 |
Zinc |
4,3 |
Experiment cu efect fotoelectric
Observați figura de mai jos, aceasta prezintă o schemă simplificată a aranjamentului experimental, folosit de Phillip Lenard, pentru studiul efectului fotoelectric:
Schema experimentală utilizată pentru studierea efectului fotoelectric.
Experimentul a constat din două plăci metalice paralele conectate la o baterie. În circuit erau ampermetre, utilizat pentru măsurarea curentului electric dintre cele două plăci și voltmetre, folosit pentru măsurarea tensiunii electrice stabilite de baterie.
Când această baterie a fost iluminată de anumite frecvențe de lumină, unii electroni au fost emiși de una dintre plăci, care a dobândit sarcini pozitive (catod). Când sunt accelerați de o diferență de potențial furnizată de baterie, electronii au ajuns pe cealaltă placă. Acest curent electric a fost măsurat de ampermetru.
Lenard a observat că odată cu creșterea intensității luminii, mai mulți electroni au fost aruncați în fiecare secundă. Cu toate acestea, menținând constantă frecvența luminii emise de sursa de lumină, energia cu care au fost expulzați electronii nu s-a schimbat. Uită-te la graficul de mai jos:
Curentul de saturație corespunde numărului de electroni expulzați de placa iluminată în fiecare secundă.
Figura de mai sus se referă la curent electric produs de electroni, ejectat de o placă și captat de cealaltă placă, cu potential electric stabilite între ele. Prin aplicarea acestui potențial, electronii care tocmai au părăsit placa, chiar și cu energie cinetică zero, au ajuns la cealaltă placă. Când toți electronii expulzați ajung la cealaltă placă, curentul electric este saturat, adică începe să rămână constant. Ceea ce se poate vedea este că curentul de saturație depinde de intensitatea luminii: cu cât este mai mare intensitatea luminii, cu atât este mai mare curentul electric format între plăci.
Cu toate acestea, atunci când se aplică un potențial electric opus, pentru a întârzia mișcarea electronilor care merg de la o placă la alta, se observă că există o potențial electric minim (V0), numit reducerea potențialului, prin care niciun electron nu poate ajunge la cealaltă placă. Acest lucru indică faptul că energia cinetică cu care părăsesc electronii plăcile nu depinde de intensitatea luminii. Energia cinetică maximă a electronilor poate fi calculată utilizând următoarea ecuație:
K - energia cinetică maximă a electronilor
și - sarcină fundamentală (1.6.10-19 Ç)
V0 - reducerea potențialului
Electron-Volt
Deoarece modulele de energie cinetică ale electronilor au module prea mici pentru a fi măsurate în Jouli, aceste măsurători de energie se fac în mod obișnuit într-o altă unitate mult mai mică, electron-volt (eV). Electronul-Volt este cantitatea de energie electrică potențială experimentată de o particulă încărcată cu cea mai mică valoare de încărcare existentă, a sarcină fundamentală, atunci când este plasat într-o regiune cu potențial electric egal cu 1 V. Prin urmare, 1 eV este echivalent cu 1.6.10-19 J.
Pe lângă electron-Volt, este obișnuit să se utilizeze prefixe precum: keV (kiloelectroni-Volți, 103 eV), Eu v (Megaelectron-Volți, 106 eV), TeV (teraelectron-volți, 109 eV) etc.
Aplicații tehnologice ale efectului fotoelectric
Au apărut mai multe aplicații tehnologice pe baza explicației efectului fotoelectric. Cea mai faimoasă dintre ele este probabil celulele fotovoltaice. Aceste celule sunt unitățile de bază ale panouri solare, prin ele este posibil a converti energia luminii în curent electric. Consultați o listă cu principalele invenții pe baza efectului fotoelectric:
Celule fotovoltaice;
Relee;
senzori de mișcare;
Fotorezistoare.
exerciții rezolvate
1) O substanță, atunci când este iluminată de fotoni de 4 eV, este capabilă să scoată electroni cu energie de 6 eV. Determinați modulul funcției de lucru a unei astfel de substanțe.
Rezoluţie:
Vom folosi ecuația funcției de lucru pentru a calcula această cantitate, rețineți:
Dacă energia cinetică a electronilor expulzați (K) este egală cu 6 eV și energia fotonilor incidenți (E) egală cu 4 eV, vom avea:
Conform calculului efectuat, funcția de lucru a acestui material, adică energia minimă pentru a scoate electronii, este de 2 eV.
2) Când iluminăm o placă metalică a cărei funcție de lucru este de 7 eV, observăm ejecția electronilor cu energii de 4 eV. A determina:
a) energia fotonilor incidenți;
b) frecvența fotonilor incidenți.
Rezoluţie:
a) Să determinăm energia fotonilor de lumină incidentă prin funcția de lucru:
B) Pentru a calcula frecvența fotonilor, putem folosi următoarea ecuație:
Luând datele furnizate de exercițiu, vom avea următorul calcul:
De Rafael Hellerbrock
