Fotoelektrinis efektas: apibrėžimas, dėsniai ir reikšmė fizikoje
Sužinokite apie fotoelektrinį efektą: apibrėžimas, Einšteino dėsniai, kvantinė prigimtis, praktiška reikšmė fizikoje ir Nobelio premija.
Fotoelektrinis efektas yra fizikos reiškinys. Šis efektas pagrįstas idėja, kad elektromagnetinė spinduliuotė yra sudaryta iš daugybės dalelių, vadinamų fotonais. Kai fotonas pataiko į metaliniame paviršiuje esantį elektroną, elektronas gali būti išspinduliuotas. Išmesti elektronai vadinami fotoelektronais. Efektas dar vadinamas Herco efektu, nes jį atrado Heinrichas Rudolfas Hercas (Heinrich Rudolf Hertz), tačiau šis pavadinimas nėra dažnai vartojamas. Fotoelektrinis efektas padėjo fizikams suprasti kvantinę šviesos ir elektronų prigimtį. Dėl fotoelektrinio efekto buvo sukurta bangų ir dalelių dualumo sąvoka. Albertas Einšteinas pasiūlė fotoelektrinio efekto dėsnius ir 1921 m. gavo Nobelio fizikos premiją.
Kas yra fotoelektrinis efektas — paprasta aiškinamoji dalis
Fotoelektrinis efektas yra išorinė elektrono emisija iš medžiagos paviršiaus, kai jis veikiamas elektromagnetinės spinduliuotės (pvz., šviesos) kvantų — fotonų. Kiekvienas fotonas turi energiją, kurią galima išreikšti kaip hf, kur h — Plancko konstanta, o f — šviesos dažnis. Jei fotono energija yra pakankama, ji gali įveikti medžiagos elektroną laikančią jėgą (vadinamą darbo funkcija arba ištraukimo darbu) ir perduoti perteklinę energiją elektrono kinetinei energijai.
Pagrindiniai eksperimentiniai pastebėjimai (fotoelektrinio efekto dėsniai)
- Priklausomybė nuo dažnio: Maksimalioji išsiskiriančių elektronų kinetinė energija priklauso nuo šviesos dažnio — didesnis dažnis reiškia didesnę kinetinę energiją.
- Nepriklausomybė nuo intensyvumo: Elektronų kinetinė energija nepriklauso nuo šviesos intensyvumo, o intensyvumas tik didina išmestų elektronų skaičių.
- Slenkstinis dažnis: Yra tam tikras minimalus dažnis (ν0), žemiau kurio elektronai nebeišsiskiria nepriklausomai nuo intensyvumo. Ši riba susijusi su medžiagos darbo funkcija.
- Momentinis išsiskyrimas: Elektronai išsiskiria praktiškai be uždelsimo (milisekundžių ar mažiau) nuo apšvietimo pradžios, kas prieštarauja klasikinės banginės teorijos lūkesčiams.
Matematika: Einšteino fotoelektrinė lygtis
Albertas Einšteinas paaiškino efektą, priskirdamas energijai kvantinę prigimtį. Pagrindinė lygtis:
Kmax = hf − Φ
kur Kmax — maksimalioji fotoelektrono kinetinė energija, h — Plancko konstanta, f — šviesos dažnis, o Φ (phi) — darbo funkcija (medžiagos minimalus energijos kiekis, reikalingas elektrono ištraukimui iš paviršiaus). Praktinėje matavimo formoje dažnai vartojama sustabdymo (stopping) potencialo sąvoka V_s, ir lygtis užrašoma kaip:
e V_s = hf − Φ
čia e — elementarinis elektronų krūvis. Iš šios lygties gauname ir slenkstinio dažnio ryšį: ν0 = Φ / h.
Kaip atliekami matavimai (trumpas eksperimentinio prietaiso aprašymas)
Standartinis eksperimentas naudoja šaltą metalinę plokštelę kaip katodą ir antrą elektrodą, sujungtą grandine, kurioje galima keisti tarp jų esančią įtampą. Plokštelė apšviečiama monochromatine šviesa, o iškritę elektronai surenkami anodo link. Keičiant priešingą įtampą, galima sustabdyti iki šiol esančius elektronus — taip nustatomas sustabdymo potencialas V_s. Iš V_s priklausomybės nuo šviesos dažnio galima patikrinti Einšteino lygtį.
Istorija trumpai
- 1887 m. Heinrichas Hertz pastebėjo, kad ultravioletinė spinduliuotė didina elektrinių kibirkščių atsiradimą — tai buvo pirmieji fotoelektrinio poveikio signalai.
- Philipp Lenard atliko išsamesnius eksperimentus ir išmatavo, kaip šviesa išmuša elektronus iš metalo paviršiaus.
- 1905 m. Albertas Einšteinas pasiūlė, kad šviesa susideda iš kvantų (fotono idėja) ir parašė fotoelektrinio efekto paaiškinimą, už ką 1921 m. gavo Nobelio premiją.
- Empirinį Einšteino lygties patvirtinimą atliko Robertas Millikanas ir kiti tyrėjai.
Skirtis tarp išorinio ir vidinio fotoelektrinių efektų
Išorinis fotoefektas — aprašytasis reiškinys, kai elektronai palieka medžiagos paviršių. Vidinis fotoefektas vyksta puslaidininkiuose ir kondensatoriuose, kai apšvietimas sukelia laisvųjų nešėjų (elektronų ir skylučių) susidarymą, didinant medžiagos laidumą. Būtent vidinis efektas yra pagrindas elektroninių fotodetektorių ir saulės elementų veikimui.
Praktinė reikšmė ir taikymai
- Fotoelementai, fotodiodai ir fototranzistoriai — spinduliuotės aptikimas ir konversija į elektros signalą.
- Fotovoltaika (saulės elementai) remiasi vidiniu fotoelektriniu efektu, paverčiant šviesą elektros įtampa ir srove.
- Fotomultiplikatoriai ir kitų optinių detektorių technologijos priklauso nuo fotoelektrinio efekto, ypač silpnų šviesos signalų detekcijoje.
- Fotoelektroninė spektroskopija — medžiagų paviršių ir elektroninių sandarų tyrimas, naudojamas fizikoje, chemijoje ir medžiagotyroje.
- Istorinė reikšmė: fotoelektrinis efektas buvo vienas kertinių eksperimentų, rodžiusių, kad klasikinė banginė šviesos teorija nepaaiškina visų reiškinių, ir skatino kvantinės mechanikos vystymąsi.
Santrauka
Fotoelektrinis efektas liudija, kad šviesa gali veikti kaip diskrečių energijos kvantų srautas — fotonai. Eksperimentiniai dėsniai, kuriuos paaiškino Einšteinas, rodo, kad fotonų energija (t.y. šviesos dažnis) lemia išmesto elektrono kinetinę energiją, o šviesos intensyvumas reguliuoja tik išmestu elektronų skaičių. Šis reiškinys turi didelę teorinę ir praktinę reikšmę — nuo kvantinės fizikos pagrindų iki kasdienių technologijų, tokių kaip fotodetektoriai ir saulės baterijos.
Diagrama, kurioje parodyta, kaip elektronai išspinduliuojami iš metalinės plokštelės
Mechanizmas
Ne kiekviena elektromagnetinė banga sukelia fotoelektrinį efektą, tik tam tikro dažnio ar aukštesnio dažnio spinduliuotė sukelia šį efektą. Mažiausias reikalingas dažnis vadinamas "ribiniu dažniu" arba "slenkstiniu dažniu". Ribinis dažnis naudojamas darbo funkcijai, w {\displaystyle w}, rasti. 
, t. y. energijos kiekis, išlaikantis elektroną prie metalo paviršiaus. Darbo funkcija yra metalo savybė ir jai neturi įtakos įeinanti spinduliuotė. Jei į metalo paviršių patenka šviesos dažnis, kuris yra didesnis už ribinį dažnį, išspinduliuotas elektronas turės tam tikrą kinetinę energiją.
Fotoelektrinį efektą sukeliančio fotono energija nustatoma pagal formulę E = h f = K E + w {\displaystyle E=hf=KE+w} 
, kur h {\displaystyle h}
- Planko konstanta, 6,626×10 −34J-s, f {\displaystyle f}
- elektromagnetinės bangos dažnis, K E {\displaystyle KE}
- fotoelektrono kinetinė energija, o w {\displaystyle w} - metalo darbo funkcija. Jei fotono energija didelė, gali vykti Komptono sklaida (~ tūkstančiai eV) arba porų gamyba (~ milijonai eV).
Vien šviesos intensyvumas nesukelia elektronų išmetimo. Tai gali padaryti tik išjungimo dažnio ar aukštesnio dažnio šviesa. Tačiau, didinant šviesos intensyvumą, išsiskiriančių elektronų skaičius didėja, jei šviesos dažnis yra didesnis už ribinį dažnį.
Istorija
1887 m. Heinrichas Hercas pirmą kartą pastebėjo fotoelektrinį efektą. Jis pranešė, kad kibirkštis lengviau peršoka tarp dviejų įkrautų rutuliukų, jei juos apšviečia šviesa. Siekiant sužinoti apie Herco pastebėtą efektą, buvo atliekami tolesni tyrimai. 1902 m. Filipas Lenardas (Philipp Lenard) įrodė, kad fotoelektrono kinetinė energija nepriklauso nuo šviesos intensyvumo. Tačiau tik 1905 m. Einšteinas pasiūlė teoriją, kuri visiškai paaiškino šį efektą. Teorijoje teigiama, kad elektromagnetinė spinduliuotė yra dalelių, vadinamų fotonais, seka. Fotonai susiduria su paviršiuje esančiais elektronais ir juos išspinduliuoja. Ši teorija prieštaravo įsitikinimui, kad elektromagnetinė spinduliuotė yra banga. Todėl iš pradžių ji nebuvo pripažinta teisinga. 1916 m. Robertas Millikanas (Robert Millikan) paskelbė eksperimentų, atliktų naudojant vakuuminį fotorobotą, rezultatus. Jo darbas parodė, kad Einšteino fotoelektrinė lygtis labai tiksliai paaiškina elgseną. Tačiau Millikanas ir kiti mokslininkai neskubėjo pripažinti Einšteino šviesos kvantų teorijos. Maksvelo banginė elektromagnetinės spinduliuotės teorija negali paaiškinti fotoelektrinio efekto ir juodojo kūno spinduliuotės. Juos paaiškina kvantinė mechanika.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra fotoelektrinis efektas?
A: Fotoelektrinis efektas yra fizikos reiškinys, kai elektromagnetinė spinduliuotė susideda iš dalelių, vadinamų fotonais, ir kai jie patenka į metalinio paviršiaus elektronus, elektronas gali būti išspinduliuotas, sudarydamas fotoelektronus.
K: Kas atrado fotoelektrinį efektą?
A: Fotoelektrinį efektą atrado Heinrichas Rudolfas Hercas.
K: Kodėl fotoelektrinis efektas dar vadinamas Herco efektu?
A: Fotoelektrinis efektas dar vadinamas Herco efektu, nes jį atrado Heinrichas Rudolfas Hercas.
K: Kas yra bangų ir dalelių dualumas?
A: Bangų ir dalelių dualumas yra koncepcija, sukurta dėl fotoelektrinio efekto, kuris padėjo fizikams suprasti kvantinę šviesos ir elektronų prigimtį.
K: Kas pasiūlė fotoelektrinio efekto dėsnius?
A: Fotoelektrinio efekto dėsnius pasiūlė Albertas Einšteinas.
K: Koks buvo fotoelektrinio efekto indėlis į fiziką?
A: Fotoelektrinis efektas padėjo fizikams suprasti šviesos ir elektronų kvantinę prigimtį, sukurti bangų ir dalelių dualumo sąvoką ir prisidėjo prie Alberto Einšteino, 1921 m. gavusio Nobelio fizikos premiją, pasiūlytų Fotoelektrinio efekto dėsnių.
K: Kaip vadinami fotoelektrinio efekto metu išspinduliuoti elektronai?
A: Fotoelektrinio efekto metu nuo metalo paviršiaus išspinduliuoti elektronai vadinami fotoelektronais.
Ieškoti