O Je vyrobenýfotoelektrické je fyzikálny jav, ktorý spočíva v emisii elektrónov určitými materiálmi, zvyčajne kovovými, keď sú osvetlené elektromagnetické vlny špecifických frekvencií. V tomto fenoméne je svetlo správa sa ako častica, prenos energie na elektróny, ktoré sú vysunutý z materiálu.
Zhrnutie o fotoelektrickom efekte
Fyzikálny jav objavený Heinrichom Hertzom v roku 1886;
Vysvetlil Albert Einstein v roku 1905 prostredníctvom kvantovania svetla navrhnutého Planckom v roku 1900;
Elektróny sa vypudzujú, iba ak je energia dopadajúcich fotónov väčšia alebo rovnaká ako pracovná funkcia materiálu;
Kinetická energia vyhodených elektrónov závisí iba od frekvencie dopadajúceho svetla;
Intenzita svetla ovplyvňuje iba to, koľko elektrónov je každú sekundu vysunutých.
História fotoelektrického javu
Okolo roku 1886 nemecký fyzik Heinrichhertz (1857-1894) uskutočnil niekoľko experimentov s cieľom preukázať existenciu elektromagnetické vlny. Za týmto účelom Hertz produkoval výboje medzi dvoma elektródami a občas si všimol, že keď je osvetlená, katóda je schopná produkovať intenzívnejšie elektrické výboje. Bez toho, aby to vedel, Hertz objavil fotoelektrický jav prostredníctvom emisií
lúčekatóda.Dva roky po Hertzových pozorovaniach J.J.Thomson dokázal, že častice emitované osvetlenými doskami boli elektróny. Preto thomson dokázal, že pomer náboja k hmotnosti (e / m) častíc katódy bol rovnaký ako pomer náboja k hmotnosti (e / m) elektróny- častice, ktoré sám objavil pred niekoľkými rokmi.
Pozritiež: Objav elektrónu
V roku 1903 Hertzov asistent, PhilippLenard, vyvinul sériu experimentov s cieľom vytvoriť a vzťah medzi ľahká intenzita a elektrónová energia Lenard dospel k záveru, že medzi vtedajšími poznatkami fyziky nie je medzi týmito dvoma vecami závislosť, ktorá by sa dala očakávať. O rok neskôr, Schweilder dokázal, že kinetická energia elektrónov opúšťajúcich kovové dosky bola priamo úmerná frekvencii svetla, ktoré ich osvetľovalo.
Získané výsledky experimentálne odporovali klasickej teórii elektromagnetizmus a stal sa pre vtedajších fyzikov veľkou výzvou asi na 18 rokov. V roku 1905, Einstein využil návrh predložený Planck, uspokojivo vysvetľujúci prevádzka z fotoelektrický efekt. Návrh, ktorý použil Einstein, sa volá kvantovanie elektromagnetického poľa. V roku 1900 sa Planck všemožne snažil vysvetliť problém s čiernym telom, a dokázal to iba tak, že naznačil, že svetlo bolo kvantované, teda že malo energetické hodnoty násobky menšej veličiny. Aj keď Planck pochopil, že jeho čin bol iba matematickým prostriedkom schopným vysvetliť nejaký jav fyzik, Einstein veril, že svetlo skutočne tvorilo veľké množstvo častíc obdarených energie. V budúcnosti by sa také častice začali nazývať fotóny.
Po uverejnení jeho článku o fotoelektrickom efekte dostal Einstein v roku 1921 Nobelovu cenu za fyziku.
Viac informácií o:Čo sú to fotóny?
Vzorce
Podľa korpuskulárnej teórie svetla, ktorú navrhol Planck a použil Einstein na vysvetlenie účinku fotoelektrické, svetlo je tvorené veľkým počtom fotónov - nehmotných častíc, ktoré nesú malé množstvo. moc. Táto energia je úmerná frekvencii svetla a tiež Planckovej konštante (h = 6,662,10-34 J.s), ako je uvedené v nasledujúcej rovnici:
A - energia fotónov
H - Planckova konštanta
f - svetelná frekvencia
Ak je energia fotónu dostatočne veľká, môže vytrhnúť elektróny z materiálu. Kinetickú energiu vysunutého elektrónu možno vypočítať pomocou nasledujúcej rovnice:
K - kinetická energia elektrónov
A - energia fotónov
Φ - Pracovná funkcia
Podľa vyššie uvedeného výrazu závisí kinetická energia získaná elektrónmi (K) od energie dopadajúcich fotónov (E) a tiež od Φ (okupáciapráca). Táto veličina meria množstvo potenciálnej energie, ktorou sú elektróny naviazané na materiál, je to minimálna energia potrebná na ich vytiahnutie. Preto sa všetka prebytočná energia prenáša na elektróny vo forme energiekinetika. Tu je dôležité si uvedomiť, že kinetická energia získaná elektrónmi závisí od výlučne dáva frekvencia dopadajúceho svetla a nie intenzita vyžarovaného svetla.
Frekvencia svetla, nie jeho intenzita, určuje, či budú elektróny vysunuté.
tabuľka pracovných funkcií
Pozrite sa na merať pracovnej funkcie niektorých známych materiálov. Táto funkcia sa vzťahuje na minimálne množstvo energie potrebnej na vytrhnutie elektrónov z povrchu materiálu:
Materiál |
Pracovná funkcia (eV) |
Hliník |
4,08 |
Meď |
4,7 |
Žehliť |
4,5 |
Platina |
6,35 |
Striebro |
4,73 |
Zinok |
4,3 |
Experiment s fotoelektrickým efektom
Na nasledujúcom obrázku je znázornená zjednodušená schéma experimentálneho usporiadania, ktorú použil Phillip Lenard na štúdium fotoelektrického javu:
Experimentálna schéma použitá na štúdium fotoelektrického javu.
Pokus pozostával z dvoch paralelných kovových dosiek pripojených k batérii. V okruhu boli ampérmetre, - sa používa na meranie elektrického prúdu medzi dvoma doskami a - voltmetre, slúži na meranie elektrického napätia vytvoreného batériou.
Keď bola táto batéria osvetlená určitými frekvenciami svetla, niektoré elektróny boli emitované jednou z doštičiek, ktoré získavali kladné náboje (katóda). Keď sa elektróny urýchlili rozdielom potenciálov poskytnutým batériou, dostali sa na druhú dosku. Tento elektrický prúd sa meral pomocou ampérmetra.
Lenard si všimol, že so zvyšujúcou sa intenzitou svetla bolo každú sekundu emitovaných viac elektrónov. Udržiavaním konštantnej frekvencie svetla emitovaného svetelným zdrojom sa však energia, s ktorou boli elektróny vypudzované, nezmenila. Pozrite sa na nasledujúcu tabuľku:
Saturačný prúd zodpovedá počtu elektrónov emitovaných osvetlenou doskou každú sekundu.
Obrázok vyššie sa týka elektrický prúd produkované elektrónmi, vyhodenými jednou doskou a zachytené druhou doskou, s elektrický potenciál medzi nimi. Aplikáciou tohto potenciálu sa elektróny, ktoré práve opustili dosku, aj s nulovou kinetickou energiou dostali na druhú dosku. Keď všetky vysunuté elektróny dosiahnu druhú dosku, elektrický prúd je nasýtený, to znamená, že to začne zostať konštantný. Je vidieť, že saturačný prúd závisí od ľahká intenzita: čím väčšia je intenzita svetla, tým väčší je elektrický prúd tvorený medzi doskami.
Avšak pri použití opačného elektrického potenciálu sa za účelom oneskorenia pohybu elektrónov, ktoré prechádzajú z jednej platne na druhú, pozoruje, že existuje minimálny elektrický potenciál (V.0), tzv rezný potenciál, pričom žiadny elektrón sa nemôže dostať na druhú dosku. To naznačuje, že kinetická energia, s ktorou elektróny opúšťajú platne, nezávisí od intenzity svetla. Maximálnu kinetickú energiu elektrónov je možné vypočítať pomocou nasledujúcej rovnice:
K - maximálna kinetická energia elektrónov
a - základné zaťaženie (1.6.10-19 Ç)
V.0 - rezný potenciál
Electron-Volt
Pretože moduly kinetickej energie elektrónov majú moduly príliš nízke na to, aby sa dali merať v Jouloch, tieto merania energie sa bežne vykonávajú v inej oveľa menšej jednotke, elektrón-volt (eV). Elektrón-Volt je množstvo elektrickej potenciálnej energie, ktoré zažíva nabitá častica s najnižšou existujúcou hodnotou náboja, a základný poplatok, keď je umiestnený v oblasti elektrického potenciálu rovného 1 V. Preto je 1 eV ekvivalentná 1.6.10-19 J.
Okrem elektrón-voltov sa bežne používajú aj predpony, ako napríklad: keV (kiloelektróny-volty, 103 eV), Ja v (Megaelectron-Volts, 106 eV), TeV (teraelectron-Volts, 109 eV) atď.
Technologické aplikácie fotoelektrického javu
Na základe vysvetlenia fotoelektrického javu sa objavilo niekoľko technologických aplikácií. Najznámejšie z nich sú azda fotovoltaické články. Tieto bunky sú základnými jednotkami solárne panely, prostredníctvom nich je to možné konvertovať The svetelná energia v elektrický prúd. Prezrite si zoznam hlavných vynálezov založených na fotoelektrickom efekte:
Fotovoltaické články;
Relé;
snímače pohybu;
Fotorezistory.
vyriešené cviky
1) Látka, keď je osvetlená fotónmi s 4 eV, je schopná emitovať elektróny s energiou 6 eV. Určte modul pracovnej funkcie takejto látky.
Rozhodnutie:
Na výpočet tejto veličiny použijeme rovnicu pracovnej funkcie, poznámka:
Ak sa kinetická energia vysunutých elektrónov (K) rovná 6 eV a energia dopadajúcich fotónov (E) rovná 4 eV, budeme mať:
Podľa vykonaného výpočtu je pracovná funkcia tohto materiálu, to znamená minimálna energia na vysunutie elektrónov, 2 eV.
2) Keď osvetľujeme kovovú dosku, ktorej pracovná funkcia je 7 eV, pozorujeme vyvrhnutie elektrónov s energiami 4 eV. Určiť:
a) energia dopadajúcich fotónov;
b) frekvencia dopadajúcich fotónov.
Rozhodnutie:
a) Určíme energiu fotónov dopadajúceho svetla prostredníctvom pracovnej funkcie:
B) Na výpočet frekvencie fotónov môžeme použiť nasledujúcu rovnicu:
Na základe údajov poskytnutých týmto cvičením budeme mať nasledujúci výpočet:
Autor: Rafael Hellerbrock
Zdroj: Brazílska škola - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm
