O Det är gjortfotoelektrisk är ett fysiskt fenomen som består av utsläpp av elektroner av vissa material, vanligtvis metalliska, när de belyses av elektromagnetiska vågor av specifika frekvenser. I detta fenomen är ljus beter sig som en partikel, överföra energi till elektroner, som är matas ut ur materialet.
Sammanfattning av fotoelektrisk effekt
Fysiskt fenomen upptäckt av Heinrich Hertz 1886;
Förklaras av Albert Einstein 1905 genom den kvantisering av ljus som föreslagits av Planck 1900;
Elektroner matas ut endast om energin hos de infallande fotonerna är större än eller lika med materialets arbetsfunktion;
De utmatade elektronernas kinetiska energi beror bara på frekvensen för det infallande ljuset;
Ljusintensitet påverkar bara hur många elektroner som matas ut varje sekund.
Sluta inte nu... Det finns mer efter reklam;)
Historia av den fotoelektriska effekten
Runt 1886, den tyska fysikern Heinrichhertz (1857-1894) genomförde flera experiment för att demonstrera existensen av elektromagnetiska vågor
. För att göra detta producerade Hertz urladdningar mellan två elektroder, och ibland insåg han att katoden, när den var upplyst, kunde producera mer intensiva elektriska urladdningar. Utan att veta det hade Hertz upptäckt den fotoelektriska effekten genom utsläpp av strålarkatod.Två år efter Hertz observationer, J.J. Thomson bevisade att partiklarna som emitterades av de upplysta plattorna var elektroner. Därför, thomson bevisade att förhållandet mellan laddning och massa (e / m) för katodpartiklarna var lika med den för elektroner- partiklar som han själv upptäckt några år tidigare.
Seockså: Upptäckten av elektronen
1903, Hertz assistent, PhilippLenard, utvecklat en serie experiment för att upprätta en relation mellan ljusintensitet och den elektronenergi Lenard drog slutsatsen att det inte fanns något beroende mellan de två sakerna, vilket man kunde förvänta sig, enligt kunskapen om fysik vid den tiden. Ett år senare, Schweilder han kunde bevisa att den kinetiska energin hos elektronerna som lämnar metallplattorna var direkt proportionell mot ljusfrekvensen som belyste dem.
De erhållna resultaten motsatte sig experimentellt den klassiska teorin om elektromagnetism och blev en stor utmaning för fysiker vid den tiden i ungefär 18 år. År 1905, Einstein använde sig av ett förslag från Planck, förklarar på ett tillfredsställande sätt drift av fotoelektrisk effekt. Det förslag som Einstein använder kallas kvantisering av det elektromagnetiska fältet. År 1900 försökte Planck på alla sätt förklara svart kroppsproblemoch kunde bara göra det genom att föreslå att ljuset kvantiserades, det vill säga att det hade energivärden multipler av en mindre kvantitet. Även om Planck förstod att hans prestation bara var en matematisk anordning som kunde förklara ett fenomen fysiker, Einstein trodde att ljus faktiskt bildades av ett stort antal partiklar utrustade med energi. I framtiden skulle sådana partiklar kallas fotoner.
Efter publiceringen av sin artikel om den fotoelektriska effekten tilldelades Einstein Nobelpriset i fysik 1921.
Lär dig mer om:Vad är fotoner?
Formler
Enligt den korpuskulära teorin om ljus, föreslagen av Planck och använd av Einstein för att förklara effekten fotoelektriskt, ljus består av ett stort antal fotoner - masslösa partiklar som bär en liten mängd. kraft. Denna energi är proportionell mot ljusfrekvensen och även till Plancks konstant (h = 6,662.10-34 J.s), såsom visas i följande ekvation:
OCH - fotonenergi
H - Planck är konstant
f - ljusfrekvens
Om fotonens energi är tillräckligt stor kan den rippa elektroner ur materialet. Den kinetiska energin hos en utkastad elektron kan beräknas med hjälp av följande ekvation:
K - elektroners kinetiska energi
OCH - fotonenergi
Φ - Jobb Funktion
Enligt ovanstående uttryck beror den kinetiska energi som erhålls av elektronerna (K) på energin hos de infallande fotonerna (E) och även på Φ (ockupationarbete). Denna kvantitet mäter mängden potentiell energi med vilken elektronerna är bundna till materialet, det är den minsta energi som behövs för att dra ut dem. Därför överförs all överflödig energi till elektronerna i form av energikinetik. Här är det viktigt att inse att den kinetiska energi som förvärvas av elektroner beror på uteslutande ger infallande ljusfrekvens och inte intensiteten i ljuset som sänds ut.
Ljusfrekvensen, inte dess intensitet, avgör om elektroner kommer att matas ut.
arbetsfunktionstabell
Kolla in mäta för vissa kända material. Denna funktion avser minsta kvantitet energi som krävs för att elektroner ska rippas från materialets yta:
Material |
Jobbfunktion (eV) |
Aluminium |
4,08 |
Koppar |
4,7 |
Järn |
4,5 |
Platina |
6,35 |
Silver |
4,73 |
Zink |
4,3 |
Fotoelektriskt effektexperiment
Observera bilden nedan, den presenterar ett förenklat schema för det experimentella arrangemanget, som används av Phillip Lenard, för studier av den fotoelektriska effekten:
Experimentellt schema som används för att studera den fotoelektriska effekten.
Experimentet bestod av två parallella metallplattor anslutna till ett batteri. I kretsen fanns det ammetrar, används för att mäta den elektriska strömmen mellan de två plattorna, och voltmetrar, används för att mäta den elektriska spänning som upprättats av batteriet.
När detta batteri belystes av vissa frekvenser av ljus, sändes vissa elektroner ut av en av plattorna, som fick positiva laddningar (katod). När de accelereras av en potentialskillnad från batteriet, nådde elektronerna den andra plattan. Denna elektriska ström mättes med amperemätaren.
Lenard märkte att med ökande ljusintensitet kastades fler elektroner ut varje sekund. Men att hålla frekvensen av ljus som utsänds av ljuskällan konstant, den energi som elektronerna matades ut med ändrades inte. Titta på diagrammet nedan:
Mättnadsströmmen motsvarar antalet elektroner som matas ut av den upplysta plattan varje sekund.
Figuren ovan avser elektrisk ström produceras av elektroner, matas ut av en platta och fångas av den andra plattan, med elektrisk potential mellan dem. Genom att tillämpa denna potential nådde elektronerna som precis lämnade plattan, även utan kinetisk energi, den andra plattan. När alla utmatade elektroner når den andra plattan, den elektriska strömmen är mättad, det vill säga det börjar förbli konstant. Vad som kan ses är att mättnadsströmmen beror på ljusintensitet: ju större ljusintensitet, desto större blir den elektriska strömmen mellan plattorna.
För att fördröja förflyttningen av elektronerna som går från en platta till en annan observeras dock att det finns en minsta elektriska potential (V0), kallas kapningspotential, varigenom ingen elektron når den andra plattan. Detta indikerar att den kinetiska energi som elektronerna lämnar plattorna inte är beroende av ljusintensiteten. Elektronernas maximala kinetiska energi kan beräknas med hjälp av följande ekvation:
K - maximal kinetisk energi hos elektroner
och - grundbelastning (1.6.10-19 Ç)
V0 - kapningspotential
Elektron-Volt
Eftersom elektronernas kinetiska energimoduler har moduler för låga för att kunna mätas i Joule görs dessa energimätningar rutinmässigt i en annan mycket mindre enhet, elektron-volt (eV). Elektron-Volt är mängden elektrisk potentialenergi som upplevs av en laddad partikel med det lägsta existerande laddningsvärdet, a grundläggande avgift, när de placeras i ett område med elektrisk potential lika med 1 V. Därför motsvarar 1 eV 1.6.10-19 J.
Förutom elektron-Volt är det vanligt att använda prefix som: keV (kiloelektroner-volt, 103 eV), Me v (Megaelectron-Volt, 106 eV), TeV (teraelektron-volt, 109 eV) etc.
Tekniska tillämpningar av den fotoelektriska effekten
Flera tekniska tillämpningar framkom baserat på förklaringen av den fotoelektriska effekten. Den mest kända av dessa är kanske solcellerna. Dessa celler är basenheterna i solpaneler, genom dem är det möjligt att konvertera De ljusenergi i elektrisk ström. Kolla in en lista över de viktigaste uppfinningarna baserat på den fotoelektriska effekten:
Fotovoltaiska celler;
Reläer;
rörelsesensorer;
Fotoresistorer.
Övningar lösta
1) Ett ämne, när det belyses av fotoner på 4 eV, kan mata ut elektroner med en energi på 6 eV. Bestäm arbetsmodulen för ett sådant ämne.
Upplösning:
Vi kommer att använda arbetsfunktionsekvationen för att beräkna denna kvantitet, notera:
Om kinetiska energin för de utmatade elektronerna (K) är lika med 6 eV och energin för de infallande fotonerna (E) lika med 4 eV, har vi:
Enligt den beräkning som gjorts är arbetsfunktionen för detta material, det vill säga den minsta energin för att mata ut elektronerna, 2 eV.
2) När vi belyser en metallplatta vars arbetsfunktion är 7 eV, observerar vi utstötningen av elektroner med energier på 4 eV. Bestämma:
a) energin hos de infallande fotonerna,
b) frekvensen av de infallande fotonerna.
Upplösning:
a) Låt oss bestämma energin hos de infallande ljusfotonerna genom arbetsfunktionen:
B) För att beräkna frekvensen av fotoner kan vi använda följande ekvation:
Genom att ta de uppgifter som tillhandahålls av övningen kommer vi att ha följande beräkning:
Av Rafael Hellerbrock
