โฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์: ประวัติสูตรและแบบฝึกหัด

โอ มันถูกสร้างขึ้นตาแมว เป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ประกอบด้วยการปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากวัสดุบางชนิด มักเป็นโลหะ เมื่อส่องสว่างด้วย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ของความถี่เฉพาะ ในปรากฏการณ์นี้ เบา ทำตัวเหมือนเ อนุภาค, ถ่ายเทพลังงานให้อิเล็กตรอน ซึ่งก็คือ ดีดออก ออกจากวัสดุ

สรุปผลโฟโตอิเล็กทริก

ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ค้นพบโดยไฮน์ริช เฮิรตซ์ในปี พ.ศ. 2429;
อธิบายโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในปี ค.ศ. 1905 ผ่านการวัดปริมาณแสงที่พลังค์เสนอในปี 1900
อิเล็กตรอนจะถูกขับออกมาก็ต่อเมื่อพลังงานของโฟตอนตกกระทบมากกว่าหรือเท่ากับฟังก์ชันการทำงานของวัสดุ
พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่พุ่งออกมานั้นขึ้นอยู่กับความถี่ของแสงตกกระทบเท่านั้น
ความเข้มของแสงมีผลกับจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกขับออกมาในแต่ละวินาทีเท่านั้น

อย่าเพิ่งหยุด... มีมากขึ้นหลังจากโฆษณา ;)

ประวัติของโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์

ราวปี พ.ศ. 2429 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ไฮน์ริชเฮิรตซ์ (1857-1894) ได้ทำการทดลองหลายครั้งเพื่อแสดงการมีอยู่ของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า. ในการทำเช่นนั้น เฮิรตซ์สร้างการคายประจุระหว่างอิเล็กโทรดสองขั้ว และในบางครั้ง เขาตระหนักว่า เมื่อให้แสงสว่าง แคโทดสามารถผลิตประจุไฟฟ้าที่เข้มข้นขึ้นได้ เฮิรตซ์ได้ค้นพบโฟโตอิเล็กทริกโดยไม่รู้ตัวผ่านการปล่อยของ รังสีแคโทด.

instagram story viewer

สองปีหลังจากการสังเกตของเฮิรตซ์ เจ.เจ.ทอมสัน พิสูจน์แล้วว่าอนุภาคที่ปล่อยออกมาจากแผ่นเรืองแสงเป็นอิเล็กตรอน ดังนั้น, ทอมสัน พิสูจน์แล้วว่าอัตราส่วนประจุต่อมวล (e/m) ของอนุภาคแคโทดเท่ากับของ อิเล็กตรอน— อนุภาคที่ค้นพบด้วยตัวเองเมื่อไม่กี่ปีก่อน

ดูยัง: การค้นพบอิเล็กตรอน

ในปี พ.ศ. 2446 ผู้ช่วยของเฮิรตซ์ Philippเลนาร์ด พัฒนาชุดการทดลองเพื่อสร้าง a ความสัมพันธ์ ระหว่าง ความเข้มของแสง และ พลังงานอิเล็กตรอน ออก, Lenard สรุปว่าไม่มีการพึ่งพาระหว่างสองสิ่งซึ่งคาดว่าจะเป็นไปตามความรู้ของฟิสิกส์ในขณะนั้น. หนึ่งปีต่อมา, Schweilder เขาสามารถพิสูจน์ได้ว่าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ออกจากแผ่นโลหะนั้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ของแสงที่ส่องสว่างพวกมัน

ผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลองขัดแย้งกับทฤษฎีคลาสสิกของ แม่เหล็กไฟฟ้า และกลายเป็นความท้าทายครั้งสำคัญสำหรับนักฟิสิกส์ในขณะนั้นเป็นเวลาประมาณ 18 ปี ในปี พ.ศ 1905, ไอน์สไตน์ ได้ใช้ข้อเสนอที่นำเสนอโดย พลังค์, อธิบาย ได้อย่างน่าพอใจ ปฏิบัติการ ของ ตาแมวผล. ข้อเสนอที่ไอน์สไตน์ใช้เรียกว่า การหาปริมาณของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า. ในปี 1900 พลังค์พยายามอธิบาย explain ปัญหาตัวดำและสามารถทำได้โดยแนะนำว่าแสงถูกหาปริมาณ นั่นคือ มีค่าพลังงานหลายเท่าของปริมาณที่น้อยกว่า แม้ว่าพลังค์จะเข้าใจว่าความสามารถของเขาเป็นเพียงอุปกรณ์ทางคณิตศาสตร์ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ได้ นักฟิสิกส์ Einstein เชื่อว่าแสงประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมากที่มี พลังงาน. ในอนาคตจะเรียกอนุภาคดังกล่าวว่า โฟตอน.

หลังจากการตีพิมพ์บทความของเขาเกี่ยวกับโฟโตอิเล็กทริก Einstein ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2464

เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ:โฟตอนคืออะไร?

สูตร

ตามทฤษฏี corpuscular ของแสง เสนอโดย Planck และใช้โดย Einstein เพื่ออธิบายผลกระทบ โฟโตอิเล็กทริก แสงประกอบด้วยโฟตอนจำนวนมาก — อนุภาคที่ไม่มีมวลซึ่งมีปริมาณเล็กน้อย อำนาจ พลังงานนี้เป็นสัดส่วนกับความถี่ของแสงและค่าคงที่ของพลังค์ด้วย (h = 6.662.10^-34 จ.) ดังแสดงในสมการต่อไปนี้

และ — พลังงานโฟตอน

โฮ — ค่าคงที่ของพลังค์

ฉ — ความถี่แสง

หากพลังงานของโฟตอนมีขนาดใหญ่เพียงพอ ก็สามารถดึงอิเล็กตรอนออกจากวัสดุได้ พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการต่อไปนี้:

K — พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน

และ — พลังงานโฟตอน

Φ - ฟังก์ชั่นการทำงาน

จากการแสดงออกข้างต้น พลังงานจลน์ที่ได้รับจากอิเล็กตรอน (K) ขึ้นอยู่กับพลังงานของโฟตอนตกกระทบ (E) และ Φ (อาชีพงาน). ปริมาณนี้วัดปริมาณพลังงานศักย์ที่อิเล็กตรอนจับกับวัสดุ ซึ่งเป็นพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการดึงออกมา ดังนั้นพลังงานส่วนเกินทั้งหมดจะถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอนในรูปของ พลังงานจลนศาสตร์ สิ่งสำคัญคือต้องตระหนักว่าพลังงานจลน์ที่ได้รับจากอิเล็กตรอนนั้นขึ้นอยู่กับ เฉพาะ ให้ ความถี่แสงตกกระทบ และไม่ใช่ความเข้มของแสงที่ปล่อยออกมา

ความถี่ของแสง ไม่ใช่ความเข้ม เป็นตัวกำหนดว่าอิเล็กตรอนจะถูกขับออกมาหรือไม่

ตารางการทำงาน

ตรวจสอบ วัด ฟังก์ชันการทำงานของวัสดุที่รู้จักบางอย่าง ฟังก์ชันนี้หมายถึง ปริมาณขั้นต่ำ ของพลังงานที่จำเป็นสำหรับการดึงอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวของวัสดุ:

วัสดุ	ฟังก์ชั่นงาน (eV)
อลูมิเนียม	4,08
ทองแดง	4,7
เหล็ก	4,5
แพลตตินั่ม	6,35
เงิน	4,73
สังกะสี	4,3

การทดลองเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก

สังเกตรูปด้านล่าง นำเสนอโครงร่างที่ง่ายขึ้นของการจัดเตรียมการทดลอง ซึ่งใช้โดยฟิลลิป เลนาร์ด ในการศึกษาผลกระทบของโฟโตอิเล็กทริก:

แบบแผนการทดลองใช้เพื่อศึกษาเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก

การทดลองประกอบด้วยแผ่นโลหะคู่ขนานสองแผ่นที่เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ ในวงจรมี แอมป์มิเตอร์, ใช้สำหรับวัดกระแสไฟฟ้าระหว่างแผ่นทั้งสองและ โวลต์มิเตอร์ใช้สำหรับวัดแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดโดยแบตเตอรี่

เมื่อแบตเตอรี่นี้สว่างขึ้นด้วยความถี่แสงหนึ่ง อิเล็กตรอนบางตัวก็ถูกปล่อยออกมาจากเพลตแผ่นหนึ่ง ซึ่งได้รับประจุบวก (แคโทด) เมื่อเร่งความเร็วโดยความต่างศักย์จากแบตเตอรี่ อิเล็กตรอนจะไปถึงอีกจานหนึ่ง กระแสไฟฟ้านี้วัดโดยแอมมิเตอร์

Lenard สังเกตว่าด้วยความเข้มของแสงที่เพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนจะถูกขับออกมามากขึ้นทุกวินาที อย่างไรก็ตาม การรักษาความถี่ของแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงให้คงที่ พลังงานที่อิเล็กตรอนถูกขับออกมาจะไม่เปลี่ยนแปลง ดูแผนภูมิด้านล่าง:

กระแสความอิ่มตัวสอดคล้องกับจำนวนของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแผ่นเรืองแสงในแต่ละวินาที

รูปด้านบนเกี่ยวข้องกับ กระแสไฟฟ้า ผลิตโดยอิเลคตรอน ดีดออกโดยแผ่นหนึ่งและจับโดยอีกแผ่นหนึ่งด้วย ศักย์ไฟฟ้า จัดตั้งขึ้นระหว่างพวกเขา ด้วยการใช้ศักย์นี้ อิเล็กตรอนที่เพิ่งออกจากจาน แม้ว่าจะมีพลังงานจลน์เป็นศูนย์ ก็ไปถึงอีกจานหนึ่ง เมื่ออิเลคตรอนที่พุ่งออกมาทั้งหมดไปถึงอีกจานหนึ่ง กระแสไฟฟ้า อิ่มตัว ก็คือมันเริ่มที่จะคงอยู่ ค่าคงที่. จะเห็นได้ว่ากระแสความอิ่มตัวขึ้นอยู่กับ ความเข้มของแสง: ยิ่งความเข้มแสงมากเท่าใด กระแสไฟฟ้าก็จะยิ่งก่อตัวขึ้นระหว่างแผ่นเปลือกโลกมากขึ้นเท่านั้น

อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้ศักย์ไฟฟ้าตรงข้าม เพื่อชะลอการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากแผ่นหนึ่งไปยังอีกแผ่นหนึ่ง จะสังเกตว่ามี ศักย์ไฟฟ้าขั้นต่ำ (วี₀) เรียกว่า ศักยภาพในการตัดโดยที่อิเล็กตรอนไม่สามารถไปถึงอีกแผ่นหนึ่งได้ สิ่งนี้บ่งชี้ว่าพลังงานจลน์ที่อิเล็กตรอนออกจากแผ่นเปลือกโลกไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง พลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการต่อไปนี้:

K — พลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอน

และ — ภาระพื้นฐาน (1.6.10^-19 ค)

วี₀ — ตัดศักยภาพ cutting

อิเล็กตรอน-โวลต์-

เนื่องจากโมดูลพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนมีโมดูลต่ำเกินไปที่จะวัดเป็นจูล การวัดพลังงานเหล่านี้จึงทำเป็นประจำในหน่วยที่เล็กกว่ามากอีกหน่วยหนึ่ง อิเล็กตรอน-โวลต์ (eV). อิเล็กตรอนโวลต์คือปริมาณของพลังงานศักย์ไฟฟ้าที่อนุภาคมีประจุซึ่งมีค่าประจุที่มีอยู่ต่ำที่สุด a experienced ค่าใช้จ่ายพื้นฐานเมื่อวางในบริเวณศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ 1 V. ดังนั้น 1 eV เท่ากับ 1.6.10^-19 เจ

นอกจากอิเล็คตรอน-โวลต์ เป็นเรื่องปกติที่จะใช้คำนำหน้าเช่น: keV (กิโลอิเล็กตรอน-โวลต์, 10³ อีวี) ฉัน v (เมกะอิเล็กตรอน-โวลต์ 10⁶ อีวี) TeV (teraelectron-Volts, 10⁹ eV) เป็นต้น

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีของเอฟเฟกต์ตาแมว

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีหลายอย่างเกิดขึ้นจากคำอธิบายของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก ที่มีชื่อเสียงที่สุดคือเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์เหล่านี้เป็นหน่วยพื้นฐานของ แผงโซลาร์เซลล์ผ่านพวกมันได้ ที่จะแปลง พลังงานแสง ใน กระแสไฟฟ้า. ตรวจสอบรายการสิ่งประดิษฐ์หลักตามเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก: