Fotoelektrični učinek: zgodovina, formule in vaje

O Izdelano jefotoelektrična je fizični pojav, ki zajema oddajanje elektronov nekaterih materialov, običajno kovinskih, ko jih osvetli elektromagnetnih valov določenih frekvenc. V tem pojavu je svetloba se obnaša kot delec, prenos energije na elektrone, ki so izmet iz materiala.

Povzetek o fotoelektričnem učinku

Fizični pojav, ki ga je leta 1886 odkril Heinrich Hertz;
Pojasnil Albert Einstein leta 1905 s kvantizacijo svetlobe, ki jo je predlagal Planck leta 1900;
Elektroni se izvržejo le, če je energija vpadnih fotonov večja ali enaka delovni funkciji materiala;
Kinetična energija izvrženih elektronov je odvisna samo od frekvence vpadne svetlobe;
Intenzivnost svetlobe vpliva samo na to, koliko elektronov je vsako sekundo izpuščenih.

Zgodovina fotoelektričnega učinka

Okoli leta 1886 je nemški fizik Heinrichherc (1857-1894) izvedel več poskusov, da bi dokazal obstoj elektromagnetnih valov. Da bi to naredil, je Hertz ustvaril razelektritve med dvema elektrodama in občasno je ugotovil, da je katoda, ko je osvetljena, sposobna proizvajati močnejše električne razelektritve. Ne da bi se tega zavedal, je Hertz odkril fotoelektrični učinek z oddajanjem

instagram story viewer

žarkikatoda.

Dve leti po Hertzovih opažanjih je J. J. Thomson je dokazal, da so delci, ki jih oddajajo osvetljene plošče, elektroni. Zato thomson je dokazal, da je razmerje med nabojem in maso (e / m) delcev katode enako razmerju med nabojem in maso elektroni- delci, ki jih je odkril nekaj let prej.

Poglejtudi: Odkritje elektrona

Leta 1903 je Hertzov pomočnik, PhilippLenard, razvil vrsto poskusov, da bi ugotovil razmerje med jakost svetlobe in elektronska energija Lenard zaključil, da med obema stvaroma ni odvisnosti, kar je bilo pričakovati glede na takratno znanje fizike. Eno leto kasneje, Schweilder uspel je dokazati, da je kinetična energija elektronov, ki zapuščajo kovinske plošče, sorazmerna s frekvenco svetlobe, ki jih je osvetlila.

Rezultati eksperimentalno so bili v nasprotju s klasično teorijo elektromagnetizem in je za približno 18 let takrat postal glavni izziv za fizike. V letu 1905, Einstein je uporabil predlog, ki ga je predstavil Planck, zadovoljivo razloži delovanje od fotoelektrični učinek. Pokliče se predlog, ki ga je uporabil Einstein kvantizacija elektromagnetnega polja. Leta 1900 je Planck na vse načine poskušal razložiti izdaja črnega telesa, in to je lahko storil le tako, da je predlagal, da je bila svetloba kvantizirana, to je, da ima energijske vrednosti, večkratnike manjše količine. Čeprav je Planck razumel, da je bil njegov podvig le matematična naprava, ki lahko razloži pojav fizik, je Einstein verjel, da je svetloba resnično sestavljena iz velikega števila delcev, ki so jih imeli energija. V prihodnosti bi se takšni delci začeli imenovati fotoni.

Po objavi članka o fotoelektričnem učinku je Einstein leta 1921 prejel Nobelovo nagrado za fiziko.

Izvedite več o:Kaj so fotoni?

Formule

V skladu s korpuskularno teorijo svetlobe, ki jo je predlagal Planck in jo je Einstein uporabil za razlago učinka fotoelektrična, svetloba je sestavljena iz velikega števila fotonov - brezmasnih delcev, ki nosijo majhno količino. moč. Ta energija je sorazmerna s frekvenco svetlobe in tudi s Planckovo konstanto (h = 6.662.10^-34 J.s), kot je prikazano v naslednji enačbi:

IN - energija fotonov

H - Planckova konstanta

f - svetlobna frekvenca

Če je energija fotona dovolj velika, lahko iztrga elektrone iz materiala. Kinetično energijo izvrženega elektrona lahko izračunamo po naslednji enačbi:

K - kinetična energija elektronov

IN - energija fotonov

Φ - Službena Pozicija

Glede na zgornji izraz je kinetična energija, ki jo pridobijo elektroni (K), odvisna od energije vpadnih fotonov (E) in tudi od Φ (poklicdelo). Ta količina meri količino potencialne energije, s katero so elektroni vezani na material, to je najmanjša energija, potrebna za njihovo izvlečenje. Zato se vsa presežna energija prenese na elektrone v obliki energijakinetika. Tu je pomembno vedeti, da je odvisna kinetična energija, ki jo pridobijo elektroni ekskluzivno daje frekvenca vpadne svetlobe in ne intenzivnost oddane svetlobe.

Frekvenca svetlobe, ne njena jakost, določa, ali bodo elektroni izvrženi.

tabela delovnih funkcij

Oglejte si ukrep delovne funkcije nekaterih znanih materialov. Ta funkcija se nanaša na minimalna količina energije, potrebne za odtrganje elektronov s površine materiala:

Material	Delovna funkcija (eV)
Aluminij	4,08
baker	4,7
Železo	4,5
Platina	6,35
Srebro	4,73
Cink	4,3

Poskus s fotoelektričnim učinkom

Upoštevajte spodnjo sliko, saj predstavlja poenostavljeno shemo eksperimentalne ureditve, ki jo je Phillip Lenard uporabil za preučevanje fotoelektričnega učinka:

Eksperimentalna shema za preučevanje fotoelektričnega učinka.

Poskus je bil sestavljen iz dveh vzporednih kovinskih plošč, povezanih z baterijo. V vezju so bili ampermetri, - za merjenje električnega toka med obema ploščama in voltmetrov, ki se uporablja za merjenje električne napetosti, ki jo določa baterija.

Ko je bila ta baterija osvetljena z določenimi svetlobnimi frekvencami, je ena od plošč oddajala nekaj elektronov, ki so dobili pozitivne naboje (katoda). Ko jih elektrona pospeši z potencialno razliko, ki jo zagotavlja baterija, elektroni dosežejo drugo ploščo. Ta električni tok je izmeril ampermeter.

Lenard je opazil, da je z naraščajočo jakostjo svetlobe vsako sekundo odvrglo več elektronov. Kljub temu, da je frekvenca svetlobe, ki jo oddaja vir svetlobe, ostala konstantna, se energija, s katero so bili elektroni izločeni, ni spreminjala. Poglejte spodnji grafikon:

Tok nasičenja ustreza številu elektronov, ki jih vsako sekundo oddaja osvetljena plošča.

Zgornja slika se nanaša na električni tok proizvajajo elektroni, ki jih ena plošča izvrže, druga plošča pa zajame z električni potencial med njimi. Z uporabo tega potenciala so elektroni, ki so ravno zapustili ploščo, tudi z ničlo kinetično energijo, dosegli drugo ploščo. Ko vsi izvrženi elektroni dosežejo drugo ploščo, električni tok je nasičena, to pomeni, da začne ostati konstanten. Vidimo lahko, da je nasičeni tok odvisen od jakost svetlobe: večja je jakost svetlobe, večji je električni tok, ki nastane med ploščami.

Vendar pa pri uporabi nasprotnega električnega potenciala, da bi upočasnili gibanje elektronov, ki gredo z ene plošče na drugo, opazimo, da obstaja minimalni električni potencial (V.₀), ki se imenuje potencial rezanja, pri čemer noben elektron ne more doseči druge plošče. To kaže, da kinetična energija, s katero elektroni zapustijo plošče, ni odvisna od jakosti svetlobe. Največjo kinetično energijo elektronov lahko izračunamo po naslednji enačbi:

K - največja kinetična energija elektronov

in - osnovna obremenitev (1.6.10^-19 Ç)

V₀ - potencial rezanja

Electron-Volt

Ker imajo moduli kinetične energije elektronov module prenizke, da bi jih lahko merili v Joulih, se te meritve energije običajno izvajajo v drugi veliko manjši enoti, elektron-volt (eV). Electron-Volt je količina električne potencialne energije, ki jo napolni delci z najnižjo obstoječo vrednostjo naboja, a temeljni naboj, če je postavljen v območje električnega potenciala 1 V. Zato je 1 eV enakovredno 1.6.10^-19 J.

Poleg elektron-volta je običajno uporabljati predpone, kot so: keV (kiloelektroni-volti, 10³ eV), Jaz v (Megaelektronski volti, 10⁶ eV), TeV (teraelektron-volti, 10⁹ eV) itd.

Tehnološke uporabe fotoelektričnega učinka

Na podlagi razlage fotoelektričnega učinka se je pojavilo več tehnoloških aplikacij. Najbolj znane med njimi so morda fotovoltaične celice. Te celice so osnovne enote sončni kolektorji, prek njih je to mogoče spreobrniti The svetlobna energija v električni tok. Oglejte si seznam glavnih izumov, ki temeljijo na fotoelektričnem učinku: