О Це зробленофотоелектричний є фізичним явищем, яке складається з випромінювання електронів певними матеріалами, як правило, металевими, при освітленні електромагнітні хвилі певних частот. У цьому явищі світло поводиться як a частинка, передаючи енергію електронам, які є викинутий поза матеріалом.
Короткий зміст фотоефекту
Фізичне явище, відкрите Генріхом Герцем у 1886 році;
Пояснено Альбертом Ейнштейном у 1905 р. Шляхом квантування світла, запропонованого Планком у 1900 р .;
Електрони викидаються, лише якщо енергія падаючих фотонів більша або дорівнює робочій функції матеріалу;
Кінетична енергія викинутих електронів залежить лише від частоти падаючого світла;
Інтенсивність світла впливає лише на те, скільки електронів викидається щосекунди.
Не зупиняйтесь зараз... Після реклами є ще щось;)
Історія фотоефекту
Близько 1886 року німецький фізик Генріхгерц (1857-1894) провів кілька експериментів, щоб продемонструвати існування електромагнітні хвилі. Для цього Герц виробляв розряди між двома електродами, і іноді він розумів, що при освітленні катод здатний виробляти більш інтенсивні електричні розряди. Не знаючи цього, Герц виявив фотоефект завдяки випромінюванню
променікатод.Через два роки після спостережень Герца, Дж. Дж. Томсон довів, що частинки, випромінювані освітленими пластинами, були електронами. Отже, Томсон довів, що відношення заряду до маси (е / м) частинок катода дорівнює співвідношенню електрони- частинки, відкриті ним кількома роками раніше.
Дивисьтакож: Відкриття електрона
У 1903 році помічник Герца, ФіліпЛенард, розробив серію експериментів з метою встановлення відносини між інтенсивність світла та електронна енергія виданий, Ленард дійшов висновку, що між цими двома речами не було залежності, чого слід було очікувати, відповідно до знань фізики на той час. Рік потому, Швайдер він зміг довести, що кінетична енергія електронів, що залишають металеві пластини, прямо пропорційна частоті світла, яка їх освітлювала.
Отримані експериментально результати суперечили класичній теорії Росії електромагнетизм і стало головним випробуванням для фізиків того часу приблизно на 18 років. У році 1905, Ейнштейна використав пропозицію, представлену Планк, задовільно пояснивши операції з фотоелектричний ефект. Називається пропозиція, яку використовував Ейнштейн квантування електромагнітного поля. У 1900 році Планк намагався всіляко пояснити чорне тіло питання, і зміг це зробити, лише припустивши, що світло було квантовано, тобто що воно мало енергетичні значення, кратні меншій кількості. Хоча Планк розумів, що його подвиг був лише математичним пристроєм, здатним пояснити явище фізик, Ейнштейн вважав, що світло справді утворюється великою кількістю наділених частинок енергія. У майбутньому такі частинки стали називатися фотони.
Після публікації статті про фотоелектричний ефект Ейнштейн був нагороджений Нобелівською премією з фізики в 1921 році.
Дізнайтеся більше про:Що таке фотони?
Формули
Відповідно до корпускулярної теорії світла, запропонованої Планком і використаної Ейнштейном для пояснення ефекту фотоелектричне, світло складається з великої кількості фотонів - безмасових частинок, що несуть невелику кількість. потужність. Ця енергія пропорційна частоті світла, а також константі Планка (h = 6.662.10-34 J.s), як показано в наступному рівнянні:
І - енергія фотонів
H - константа Планка
f - частота світла
Якщо енергія фотона досить велика, він може вирвати електрони з матеріалу. Кінетичну енергію викинутого електрона можна розрахувати, використовуючи таке рівняння:
К - кінетична енергія електронів
І - енергія фотонів
Φ - Посадові обов'язки
Відповідно до наведеного виразу, кінетична енергія, набута електронами (K), залежить від енергії падаючих фотонів (E), а також від Φ (окупаціяробота). Ця кількість вимірює кількість потенційної енергії, за допомогою якої електрони пов'язані з матеріалом, це мінімальна енергія, необхідна для їх витягування. Тому вся надлишкова енергія передається електронам у вигляді енергіякінетика. Тут важливо усвідомити, що кінетична енергія, набута електронами, залежить від виключно дає частота падаючого світла а не інтенсивність випромінюваного світла.
Частота світла, а не його інтенсивність, визначає, чи будуть викидатися електрони.
таблиця робочих функцій
Перевірте міра робочої функції деяких відомих матеріалів. Ця функція відноситься до мінімальна кількість енергії, необхідної для виривання електронів з поверхні матеріалу:
Матеріал |
Функція роботи (еВ) |
Алюміній |
4,08 |
Мідь |
4,7 |
Залізо |
4,5 |
Платина |
6,35 |
Срібло |
4,73 |
Цинк |
4,3 |
Експеримент з фотоефектом
Зверніть увагу на малюнок нижче, на ньому представлена спрощена схема експериментального розташування, використана Філіпом Ленардом для дослідження фотоефекту:
Експериментальна схема, що використовується для дослідження фотоефекту.
Експеримент складався з двох паралельних металевих пластин, з'єднаних з батареєю. У ланцюзі були амперметри, використовується для вимірювання електричного струму між двома пластинами, і вольтметри, що використовується для вимірювання електричної напруги, встановленої акумулятором.
Коли ця батарея була освітлена певними частотами світла, частина електронів випромінювалась однією з пластин, яка набувала позитивних зарядів (катод). При прискоренні різницею потенціалів, яку забезпечує акумулятор, електрони досягли іншої пластини. Цей електричний струм вимірювався амперметром.
Ленард помітив, що зі збільшенням інтенсивності світла щосекунди викидається більше електронів. Однак, підтримуючи постійну частоту світла, випромінюваного джерелом світла, енергія, з якою викидалися електрони, не змінювалася. Подивіться на таблицю нижче:
Струм насичення відповідає кількості електронів, що викидаються освітленою пластиною щосекунди.
Наведений малюнок стосується електричний струм виробляється електронами, викинутими однією пластиною і захопленими іншою пластиною, з електричний потенціал встановленого між ними. Застосовуючи цей потенціал, електрони, які щойно залишили пластину, навіть з нульовою кінетичною енергією, досягли іншої пластини. Коли всі викинуті електрони досягають іншої пластини, виникає електричний струм насичений, тобто починає залишатися постійний. Що можна побачити, так це те, що струм насичення залежить від інтенсивність світла: чим більша інтенсивність світла, тим більший електричний струм утворюється між пластинами.
Однак при застосуванні протилежного електричного потенціалу, щоб затримати рух електронів, які переходять від однієї пластини до іншої, спостерігається, що існує мінімальний електричний потенціал (V0), зателефонував потенціал різання, внаслідок чого жоден електрон не може досягти іншої пластини. Це вказує на те, що кінетична енергія, з якою електрони залишають пластинки, не залежить від інтенсивності світла. Максимальну кінетичну енергію електронів можна розрахувати, використовуючи таке рівняння:
К - максимальна кінетична енергія електронів
і - основне навантаження (1.6.10-19 Ç)
V0 - ріжучий потенціал
Електрон-Вольт
Оскільки модулі кінетичної енергії електронів мають модулі занадто низькі для вимірювання в Джоулях, ці вимірювання енергії зазвичай проводяться в іншій набагато меншій одиниці, електрон-вольт (еВ). Електрон-Вольт - це кількість електричної потенціальної енергії, яку відчуває заряджена частинка з найменшим існуючим значенням заряду, a основний заряд, коли розміщується в області електричного потенціалу, що дорівнює 1 В. Отже, 1 еВ еквівалентно 1.6.10-19 Дж.
На додаток до електрон-вольта, зазвичай використовують такі префікси, як: кеВ (кілоелектрони-вольт, 103 еВ), Я проти (Мегаелектрон-вольт, 106 еВ), ТеВ (тераелектрон-вольт, 109 еВ) тощо
Технологічне застосування фотоефекту
На основі пояснення фотоефекту з’явилося кілька технологічних застосувань. Найвідоміший з них - це, мабуть, фотоелектричні елементи. Ці клітини є основними одиницями сонячні панелі, через них це можливо конвертувати світлова енергія в електричний струм. Ознайомтесь із переліком основних винаходів на основі фотоефекту:
Фотовольтаїчні клітини;
Реле;
датчики руху;
Фоторезистори.
розв’язані вправи
1) Речовина, висвітлюючись фотонами 4 еВ, здатна викидати електрони з енергією 6 еВ. Визначте модуль робочої функції такої речовини.
Дозвіл:
Ми використаємо рівняння робочої функції для обчислення цієї величини, зверніть увагу:
Якщо кінетична енергія викинутих електронів (К) дорівнює 6 еВ, а енергія падаючих фотонів (Е) дорівнює 4 еВ, ми матимемо:
Згідно з проведеним розрахунком, робоча функція цього матеріалу, тобто мінімальна енергія для викиду електронів, становить 2 еВ.
2) Коли ми висвітлюємо металеву пластину, робоча функція якої становить 7 еВ, ми спостерігаємо викид електронів з енергією 4 еВ. Визначте:
а) енергія падаючих фотонів;
б) частота падаючих фотонів.
Дозвіл:
а) Визначимо енергію падаючих світлових фотонів за допомогою робочої функції:
Б) Для розрахунку частоти фотонів ми можемо використати таке рівняння:
Беручи дані, надані вправою, ми матимемо такий розрахунок:
Рафаель Хеллерброк
